НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОТЕХНИКИ,

ЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Конспект лекций

для магистрантов специальности

6M071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2017

АЛМАТИНСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ЭНЕРГЕТИКИ И

СВЯЗИ

Кафедра

телекоммуникационных

сетей и систем

Некоммерческое

акционерное

общество

2

СОСТАВИТЕЛИ: И.Э. Сулейменов, И.Д. Козин, А.А. Куликов.

Научно-технические проблемы радиотехники, электроники и

телекоммуникаций. Конспект лекций для магистрантов научно-

педагогической магистратуры специальности 6M071900 – Радиотехника,

электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2017. – 79 с.

Конспект лекций содержит сведения о современном состоянии в сфере

нанотехнологий, также рассмотрены проблемы и перспективы развития

систем связи космического базирования, навигации и пеленгации.

Рассмотрены тенденции развития систем передачи аудио- и

видеоинформации, методы сжатия видеоинформации. Представлены

сведения о грид-технологиях и облачных вычислениях. В конспекте лекций

подробно рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением

электромагнитной совместимости радиотехнических средств.

Методические указания предназначены для магистрантов

специальности 6M071900 – Радиотехника, электроника и

телекоммуникации.

Ил.28, табл. 3, библиогр. –31 назв.

Рецензент: доцент кафедры ЭССиС АУЭС Б.К. Курпенов

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи» на 2016 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2017 г.

3

Сводный план 2016г., поз. 243

Ибрагим Эсенович Сулейменов

Игорь Дмитриевич Козин

Андрей Александрович Куликов

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОТЕХНИКИ,

ЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Конспект лекций

для магистрантов специальности

6M071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Редактор Л.Т. Сластихина

Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Копировально-множительное бюро

некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи»

050013 Алматы, Байтурсынова, 126

Подписано в печать __.__.__.

Тираж 50 экз.

Объем 4,9 уч.-изд. л.

Формат 60х84 1/16

Бумага типографская №1

Заказ __ Цена 2500 тг

4

Содержание

1 Лекция № 1. Анализ перспектив микро-, нано- и оптоэлектроники,

функциональной электроники. Природа глобального кризиса и роль

фундаментальной науки: общий взгляд на проблему ........................................... 5 2 Лекция № 2. Качественное изменение характера функционирования

электронных компонент при переходе к микро и наномасштабам.

Нанотехнология: сверхзадачи ................................................................................ 12 3 Лекция № 3. Развитие микро-, нано- и оптоэлектроники, их внутренних и

внешних интерфейсов, сигнальных процессоров микроконтроллеров.

Осуществление логических операций при помощи перемещения зарядов ...... 16 4 Лекция № 4. Пример молекулярного сумматора .............................................. 20 5 Лекция № 5. Макромолекула как нейронная сеть ............................................ 25 6 Лекция № 6. Современное состояние и перспективы развития систем связи

космического базирования ..................................................................................... 28 7 Лекция № 7. Проблемы и перспективы развития систем пеленгации и

навигации ................................................................................................................. 31 8 Лекция № 8. Тенденции развития систем передачи аудио- и

видеоинформации. Структура и основные функции IPTV ................................. 38 9 Лекция № 9. Перспективы увеличения скорости, пропускной способности

сетевых каналов. Алгоритмы сжатия видеоинформации. Стандарт сжатия

видео MPEG-2, MPEG-4 ......................................................................................... 42 10 Лекция № 10. Распределенные вычисления. Архитектура сетей GRID.

Облачные вычисления ............................................................................................ 52 11 Лекция №11. Правила осуществления радиоконтроля в РК ......................... 61 12 Лекция №12. Испытание технических средств на ЭМС ................................ 66 13 Лекция № 13. Основные требования и методы испытаний ТС на

устойчивость к различным видам помех ............................................................. 69 14 Лекция № 14. Нормы и методы испытаний на помехоэмиссию различных

ТС .............................................................................................................................. 73 15 Лекция № 15. Требования и методы испытаний на стойкость к внешним

воздействиям и степени защиты корпусов (оболочек) РЭА .............................. 76 Список литературы ................................................................................................. 79

5

1 Лекция № 1. Анализ перспектив микро-, нано- и оптоэлектроники,

функциональной электроники. Природа глобального кризиса и роль

фундаментальной науки: общий взгляд на проблему

Цель: ознакомить с ролью фундаментальной науки в современном

обществе, показать тенденции научно-технического прогресса.

События последних лет отчетливо указывают на совпадение двух

вполне определенных тенденций. Одна из них более чем широко освещалась в

СМИ - это возникновение и стремительное развитие глобального кризиса,

который первоначально интерпретировался исключительно как финансовый,

и его последующее нарастание. Вторая из указанных тенденций также не

составляет тайны – это резкое усиление внимания, которое мировые лидеры

стали оказывать развитию фундаментальной науки.

Поворот «лицом к науке», проистекший за последние два-три года,

носил, без преувеличения, взрывной характер. Еще несколько лет назад в

высказываниях знаковых лидеров мировой политики основное место

отводилось финансовой сфере; соответствующий сектор экономики

рассматривался как доминирующий. Топ-менеджеры финансовых групп

составляли (и продолжают составлять) значительную часть элиты [1, 2].

Совпадение двух отмеченных выше тенденций, затрагивающих мир в

целом, разумеется, не может быть случайным. Оно определяется

фундаментальными причинами.

Главную из них вкратце можно сформулировать так: «Глобальный

кризис есть следствие кризиса мировой науки».

Причины, вызвавшие то, что было названо «кризисом мировой науки», а

равно и его природа будут рассматриваться ниже. Вкратце изложим схему

доказательства сформулированного выше тезиса.

В настоящее время общепризнано, что доминирующая роль в

повседневном быстром управлении процессами, происходящими на планете,

принадлежит именно финансовому сектору (в широком смысле этого

термина). Здесь уместно процитировать заметку российского политолога и

публициста Михаила Леонидовича Хазина, опубликованную порталом

KM.RU от 31.12.2009:

«…на протяжении более 25 лет (четверть века!) большая часть доходов

государства, большая часть рабочих мест, большая часть инноваций

создавалась за счет финансового сектора! Его доля в совокупных доходах

корпораций выросла до более чем 50% в общем объеме доходов корпораций, а

доля промышленности, игравшей ключевую (более 70% ВВП) роль в середине

ХХ века, упала почти до 15% — где-то до уровня 1/6 ВВП».

В той же заметке отмечается еще несколько любопытных фактов,

которые известны достаточно широко, но наводят на вполне определенные

мысли, будучи собранными воедино:

6

- «Последние десятилетия экономическую власть в Белом доме (в

Вашингтоне, разумеется) традиционно представляют представители

финансовой элиты, причем в подавляющем количестве – из одного банка,

«Голдман Сакс»»;

- «…финансисты получили власть из рук промышленников не просто

так, а в результате жесточайшего кризиса начала 30-х годов прошлого века,

который завершился так называемой Великой депрессией. Тогда, в 1929–1932

годах, президентом США был инженер по первой профессии Герберт Гувер.

Сегодня президентами США становятся адвокаты и профессиональные

политики...».

Однако даже ведущие политологи, будучи гуманитариями по основному

образованию, не уделяют должного внимания причинам, в соответствии с

которыми финансовый капитал занял лидирующие позиции в мире (при этом

стоит подчеркнуть, что в данном случае «лидирующие позиции» означает не

просто возможность получать большую часть прибыли, но возможность

оказывать решающее влияние на процессы, без преувеличения, планетного

масштаба, т.е. речь идет именно об управлении всей системой).

Попытаемся их раскрыть. Тем более, что сегодня можно дать

максимально простую картину, поясняя, почему современный кризис

действительно носит системный характер.

Итак, основное средство управления современной цивилизацией – это

деньги, существующие в форме кредитов. Они обеспечивают постройку

новых заводов, спуск на воду новых судов, разведку и добычу нефти.

Однако кредитование как институция будет работать только тогда,

когда есть условия для получения, мягко говоря, значительной прибыли, что

всем очевидно. Менее очевидно другое – откуда эта прибыль может взяться?

Если посмотреть в корень, то даже беглый анализ любого по-настоящему

крупного источника прибыли показывает, что в итоге за ним всегда стояло

соответствующее научное открытие или техническое решение, но отнюдь не

ипотека или иные денежные средства «рядовых» заемщиков. Сверхприбыли

нефтяных магнатов не были бы возможны, если бы кто-то до этого не

придумал крекинг и двигатель внутреннего сгорания. Какая могла бы быть

радиоэлектронная промышленность, электроэнергетика и т.п. без уравнений

Максвелла и открытий Фарадея? Даже фантастическое по уровню

сверхприбыли предприятие – грабеж колоний Испанской Империей и ее

преемниками не стал бы возможен, если бы кто-то до этого не изобрел

мушкет, корабельную оснастку и … не написал уравнения, описывающие

траекторию полета пушечных ядер. А ведь для этого предприятия еще нужна

была оптика – основа подзорных труб и других навигационных приборов,

гидродинамика и многое, многое другое. Всем это вроде бы было известно

всегда, но почему-то редко звучит вытекающий из общеизвестных фактов

вывод.

Современная банковская и финансовая система сложилась в период

стремительного освоения колоний и бурного развития науки, когда открытия,

7

обеспечивающие, в том числе, географическую экспансию, сыпались как из

рога изобилия. В результате, сложившаяся финансовая система устроена так,

что без сверхприбылей существовать она просто не может. Особенно тяжело

ей приходится сейчас, когда финансовый сектор востребовал значительный

кадровый потенциал (брокеры, финансовые менеджеры и т.д.).

Существование кадрового избытка в этом секторе была оправдано только в

период бурного роста. В условиях спада, массовое увольнение с работы

грозит социальным взрывом, тем более, что работники финансового сектора

привыкли ко вполне определенному уровню жизни и не согласны им

поступаться. Управляющее звено осознало, что что-то надо делать.

Ипотечные кризисы со всей наглядностью показали, что сложившаяся

финансовая система весьма хрупка, и устойчиво она будет работать только

тогда, когда есть серьезный буфер, т.е. именно источник сверхприбыли (а не

ограниченных поступлений от покупателей недвижимости или автомобилей),

о чем и говорилось выше. И это вроде бы тоже очевидно, но тогда надо

сделать последний, самый существенный вывод, который пока почему-то не

сделал никто.

Наука европейского образца (а другой на этой планете, с тех пор как

эмир Боабдиль покинул свой дворец в Гранаде, не существует) и современная

кредитно-банковская система комплиментарны друг другу – это сиамские

близнецы, а точнее, симбионты. Они породили друг друга где-то в глубине

веков, шлифуясь в покоях португальского инфанта Энрике (Генриха

Мореплавателя), который – с помощью собранных по всей Европе ученых –

тогда еще только планировал первые экспедиции к берегам Черного

Континента. Симбиоз складывался столетиями, оттачиваясь на заседаниях

Королевского Общества в Лондоне и преемниками энциклопедистов,

перешедших на службу к Наполеону Бонапарту. Этот симбиоз – тому

свидетелем вся Новая история – продемонстрировал фантастическую

эффективность. Кредиты банков шли на внедрение все новой техники,

превращаясь в заводы, железнодорожные ветки, суда, самолеты, снаряженные

армии. Новую технику и новые идеи в избытке поставляла наука, щедро

субсидируемая правительствами, отлично понимавшими, что и зачем они

делают. Наука поставляла источник сверхприбыли для банков, банки – через

свои финансовые инструменты обеспечивали выбор наиболее эффективных

путей внедрения новых разработок.

Pax Britanica к началу 20-го столетия окончательно оформил status quo;

внутри системы шли сражения, но сама она казалась незыблемой. Не будем

углубляться в историю, но через сто лет выяснилось, что она почему-то стала

работать не так и хорошо, если не сказать – скверно. Причины стали понятны

теперь, спустя 25 лет после распада СССР, когда можно твердо утверждать,

что в противостоянии Страны Советов и США не победил никто, точнее

проиграли обе стороны. Суть дела, как всегда, оказывается прозаичной.

Говоря предельно упрощенно, США гипертрофировали роль рынка, СССР –

науки, как одной из высших ценностей, некоего «символа веры». Руководство

8

и той и другой страны не приняли во внимание, что сиамские близнецы, а

точнее симбионты, не могут существовать по отдельности.

Относительно СССР можно и не говорить подробно. Самая лучшая в

мире организация образования (по крайней мере, если говорить об

естественных науках), поставлявшая надежные кадры для целой армады

научных институтов военно-промышленного комплекса, самая большая в

мире танковая армия и непревзойденные по изяществу технических решений

ракетно-космические системы оказались бессильны против «The Beatles» и

американских джинсов, то есть товаров, сервисов и главное символов

массового потребления.

«Вместо пуль врага сразят доллары» - этот тезис, выработанный на

Уолл-стрит, оправдал себя в полной мере.

Но … доллары оказались очень коварны. По науке Соединенных

Штатов, а следом и по науке всего мира, со всей силой ударил кризис

«коротких» инноваций. Его причины также предельно ясны. Если заставить

исследователя работать только на получение немедленной финансовой

отдачи, то он пойдет по пути наименьшего сопротивления, т.е. предпочтет

слегка усовершенствовать то, что уже есть, нежели думать на перспективу. По

традиции, произошедшей из США, и теперь распространившейся по всему

миру, от ученого требуется выдать на гора результат через три года, лучше

быстрее – так устроены финансовые инструменты, прежде всего система

научных грантов.

Обеспечить получение прибыли, а точнее, немедленной отдачи, вполне

возможно, и, более того, все, кто получает гранты, именно так и делают. Но

осуществлять такую деятельность можно только при наличии определенной

научной базы, поскольку изобрести и построить космический корабль нового

типа за три года проблематично. Проще заняться совершенствованием духов

или кремов. Добавить пару новых ингредиентов, отталкиваясь от достижений

предшественников, – и готово. Работать, конечно, придется, но эта задача –

как раз года на три, с учетом оформления сертификатов.

Такая система не будет стимулировать появления ничего

принципиально нового, в чем может убедиться каждый, сравнив список

открытий за которые была присуждена Нобелевская премия в первой и второй

половине 20-го века. Однако в условиях демократии, когда появление

инфанта Энрике – прозорливца и покровителя наук –проблематично еще

более, чем антигравитация, любая другая из существующих систем

управления наукой будет работать еще хуже [3].

Тот факт, что научно-технический прогресс (НТП) переживает кризис,

подтверждают сравнительные исследования Р.Гордона из Кембриджа. Он

показал, что большинство технических изобретений, согласно рейтингу

«Величайшие технические достижения ХХ века» Национальной академии

инженерного искусства были сделаны до 1950 г. Только три из двадцати

наиболее важных изобретений относятся к периоду после второй мировой

войны – это полупроводники, компьютер, Интернет. Остается только

9

добавить, что научная база для последних трех позиций также была создана

задолго до 1950 г.

Можно говорить о блефе инновационного развития, связанного с

четвертичным сектором постиндустриальной экономики. На место

фундаментальным открытиям, изобретениям и нововведениям эпохи НТП

пришли зачастую дешевые инновации, которые не содержат настоящих

изобретений и открытий, сводясь зачастую к открытию одной пивной

бутылки с помощью другой.

Фундаментальная наука никогда не была доходна. Наоборот, она всегда

была творческой и высокозатратной. И эти затраты держали на себе

преимущественно государства, которые хотели добиться доминирования в

мире. Она возникла в Новое время, которое можно считать временем

новаторов во всех областях жизни и деятельности от механики твердого тела

до «статической физики» «пульверизированного» (по В.Ключевскому)

общества».

Сегодня имеется понимание имитации инновационного развития,

которая возникла во второй половине 20-го века, придя на смену подлинным

инновациям, реализуемым на рубеже 19-го и 20-го веков.

Вернемся к обсуждаемому вопросу. СССР развивал фундаментальную

науку и звал ее адептов к высотам. В результате слишком многие ушли в

эмпиреи и остались там навсегда, забыв, что любая медаль имеет две стороны.

Еще в 90-е годы, несмотря на кризисы и более чем скромное финансирование,

от многих советских физиков, презрительно крививших губы, можно было

услышать отзывы о прикладной науке, как о чем-то вторичном.

Цена пренебрежения к экономике оказалась непомерно высокой, но ее

сегодня оплачивает весь мир. При всех издержках двуполярного мира, он в

какой-то мере все же поддерживал симбиоз, о котором говорилось выше.

СССР служил «буфером», резервуаром, из которого черпались сырые и

полусырые идеи, впоследствии воплощавшиеся в практику в других странах.

Потенциальные эмигранты кормились идеями от ясноглазых идеалистов и

потом – за копейки – делились приобретенным багажом на новом месте.

Такие тенденции, в известной степени, развратили науку Запада.

Потешаясь над доморощенными «российскими Кулибиными», ее

представители поставили во главу угла экономическую эффективность. Это

сработало. Но …, как выяснилось, только до определенного момента [4].

Потенциал, на основе которого наука могла бы идти вперед, оказался

практически полностью исчерпанным. Своего у стран Запада уже почти и нет

– университеты США ориентированы преимущественно на «короткие»

инновации, а те, кто занимается фундаментальной наукой, рассматривают ее

как нечто вовсе не имеющее отношения к земной суете. Чужого нет тоже –

все, что осталось от науки СССР, с упорством, достойным лучшего

применения, копирует американские модели, ошибочно приняв тактическое

поражение за полный разгром. Источники сверхприбылей иссякли. Немного

погодя, в полном соответствии с элементарной логикой, финансовая сфера

10

начала давать сбои – один за другим. Мировые лидеры схватились за голову и

начали лихорадочно – другого слова подобрать трудно – искать выход из

сложившейся ситуации.

Они пошли по всем возможным направлениям сразу, что еще раз

свидетельствует о серьезности сложившейся ситуации. Одно из них очевидно

для всех – атака на финансовый сектор.

Газета «Взгляд» от 31 января 2010 г. сообщает о новости, которая стала

сенсацией для всех, кто не позабыл, что такое аналитическая работа:

«Главный тренд Давоса-2010 – небывало жесткая атака правительств

развитых государств мира на банковское сообщество».

Здесь решительно нечего добавить, просто цитируем: «Первым атаку на

банки начал президент США Барак Обама, выступивший с инициативой

законодательно запретить кредитным организациям заниматься спекуляциями

и финансировать спекулятивные фонды. Американский президент и его

команда намерены добиться от Конгресса решения, запрещающего банкам

вкладывать деньги в хедж-фонды и фонды частных инвестиций, а также в

операции с ценными бумагами, напрямую не связанные с обслуживанием

клиентов».

Там же: «Мировые лидеры поддержали «крестовый поход» Обамы

против «жирных котов» (именно так президент США не так давно назвал

банкиров). «Мы продолжим создавать невыносимые для экономики риски,

благоприятствовать спекуляции, если не изменим банковское

законодательство», − цитирует главу Франции Николя Саркози (РИА

«Новости»). По его мнению, именно спекулятивный перегрев экономики стал

непосредственной причиной экономического кризиса».

И последняя цитата из этой серии: «Банкирам пора перестать

жаловаться и жалеть себя, а заняться работой, − не жалел эмоций глава

британского Минфина. − В их же интересах убраться с первых полос газет и

заняться тем, что они и должны делать, − обеспечивать экономику

кредитами».

Однако, британский премьер на ответил на вопрос – какую экономику?

Не будем жонглировать экономическими терминами, попытаемся выразиться

максимально просто. Стационарно работающему производству кредиты не

нужны, по крайней мере, в таких объемах, которые затребованы

существующим финансовым сектором. Более широко, если производственная

система уже полностью сложилась, то и кредитовать нечего. Завод работает,

что-то продает, приносит прибыль, причем, спрашивается, тут банки?

Кредитная система в той форме, которая сложилась сейчас, есть результат

роста, результат экспансии, не важно куда – на другие континенты, на вновь

возникающие рынки сбыта, к черту на рога, но чтобы она функционировала

исправно, все время нужно организовывать и продавать что-то новое.

Расширять, расширять, и расширять производство. Разумеется, если говорить

полностью корректно, то необходимо принять во внимание также вопросы

ликвидности, но здесь крайне существенны именно объемы кредитования,

11

которые становятся тем больше, чем шире экспансия и количество рано или

поздно переходит в качество.

Печально, но для этого не осталось резервов – наследство, оставленное

предками, проедено в эйфории от роста благосостояния. Газета «Известия» от

04.02.10: «В мире дела обстоят не блестяще. Об этом на форуме «Россия-

2010» мы узнали в среду из первых уст. Профессор Нуриэль Рубини, светоч

американской экономической мысли, предсказавший нынешний кризис,

жестко раскритиковал США и усомнился в спасительной миссии Китая. Мир

и дальше будет бесконечно надувать «пузыри», они будут лопаться все громче

и больнее». В переводе на русский язык – финансовый сектор без

сверхприбылей может только надувать «пузыри», страшась перспектив, но не

в силах сделать ничего иного.

Пояснить, что такое финансовый пузырь и откуда они берутся также

можно в двух словах. Имеется значительный сектор, привыкший к

значительной прибыли (причем эту привычку приобрело не только высшее

звено, но и целый пласт менеджеров различных рангов). Если реального

источника сверхприбыли нет, то этот сектор переориентируется на будущие

прибыли, на то, что на языке экономических теорий называется «временной

экспансией» (в слове «временной» здесь ударение ставится на третий слог).

Однако, при условии, что будущие доходы также ограничены (сверхприбылей

в требуем объеме от ипотеки не получишь), то рано или поздно система

пойдет вразнос, что и произошло на практике.

Обобщая, можно сказать, что само существование человечества давно

приобрело экспансионистский характер. Оно «сидит на игле» инноваций,

правда, на некоторое время забыло о данном обстоятельстве.

Суть глобального кризиса в том, что экспансия человечества, ведомого

тем, что осталось от Старого Света, захлебнулась, потеряв тылы и безнадежно

растянув коммуникации.

Если пользоваться историческими аналогиями, финансовую элиту мира

постигла та же катастрофа, что и Вермахт под Москвой в период второй

мировой войны. Есть грамотные офицеры (топ-менеджеры корпораций), есть

храбрые солдаты (агрессивные молодые кадры финансового сектора), есть

великолепная техника (отработанные за десятилетия механизмы кредитования

и т.п.), еще остались снаряды (пиар и политтехнологии), но… в баках боевых

машин нет горючего, и не известно, откуда его взять.

Финансовый сектор, разумеется, не отдаст власть без, как минимум,

серьезного боя, какового лучше избежать. Поэтому из пропыленного ящика

достают и пытаются заставить хоть как-то работать старые инструменты – в

первую очередь, науку, столетиями обеспечивавшую то, в чем финансовый

сектор сейчас нуждается больше всего – экспансию на новые рынки.

Если их нет, то их нужно придумать. Отсюда – превращение слова

«нанотехнология» даже не в бренд, а в некий символ, который в устах многих

политиков уже звучит, как клятва. Неудивительно – это второе направление

12

преодоления мирового кризиса, которое мировые лидеры также

рассматривают как одно из важнейших.

Ребята, которые затеяли мозговой штурм в оставшейся неизвестной

широкой общественности организации, знали свое дело. Урвать, что еще

можно, от Евразии – не повредит, но это, по большому счету, - крохи.

Кардинального перелома ситуации таким способом не добиться. Кризис

может быть преодолен или полномасштабной войной (что чревато

непредсказуемыми последствиями, с учетом всем известных факторов в виде

ядерного и бактериологического оружия) или рывком, сопоставимым с

завоеванием колоний, для которого придумали эвфемизм «Эпоха великих

географических открытий».

2 Лекция № 2. Качественное изменение характера

функционирования электронных компонент при переходе к микро и

наномасштабам. Нанотехнология: сверхзадачи

Цель: ознакомить с принципами нанотехнологии, показать отличия при

функционировании электроники при переходе от микро – и наномасштабам.

Говорить о сверхзадачах, рассматривая проблемы нанотехнологии,

представляется вполне уместным. По существу, все это направление родилось

именно из вполне конкретной сверхзадачи (если не сказать – мечты о «сборке

вещей атом за атомом»), сформулированной К. Дрекслером в работах,

опубликованных еще в 80-х годах [5].

На сегодняшний день можно выделить несколько значимых проблем,

которые стоят перед нанотехнологией. Одна из них остается самым тесным

образом связанной с молекулярным ассемблером и конкретными

возможностями его применения. Именно ряд последних сообщений

свидетельствует о том, что уже становится реальным создание инструментов,

способных проникать через стенки живой клетки и осуществлять

определенные манипуляции внутри нее. Существуют и более простые методы

использования наноразмерных частиц, например, лекарственные препараты,

где использование таких размеров позволяет добиться значимого лечебного

эффекта. Такого рода примеры можно продолжать очень долго, и для целей

данной книги важно отметить, что именно они послужили основой для

распространенного в настоящее время определения нанотехнологии. В

соответствии с ним, критерием, позволяющим отличить исследования в

области нанотехнологий от прочих, является появление новых свойств у

материалов, особенности структуры которых характеризуются

существованием наноразмерных частиц или иных элементов. Например, это

могут быть наночастицы, вкрапленные в полимерную матрицу, или

образующие комплекс с гидрофильными полимерами, находящимися в

растворенном или взвешенном состоянии.

13

Такая формулировка, безусловно, является намного более широкой, чем

первоначальная сверхзадача, сформулированная К. Дрекслером, а ее

появление непосредственно отражает расширение задач, относящихся к

компетенции нанотехнологии и обоснованное стремление многих научно-

исследовательских групп проводить изыскание на стыке ранее решаемых

задач и новых перспективных направлений.

В связи с этим в дальнейшем представляется целесообразным говорить

о нанотехнологии в широком и узком смысле. При этом под нанотехнологией

в первоначальном (или узком) смысле ниже будет пониматься дисциплина,

обеспечивающая решение научно-технических или иных задач за счет такого

функционирования молекулярных структур, в котором отдельные атомы или

их группы можно уподобить узлам машины или механизма.

Под такое определение полностью попадает вторая сверхзадача, которая

активно решается в настоящее время. Ее можно кратко охарактеризовать как

«создание нанокомпьютера». Это, несколько жаргонное выражение,

охватывает весьма широкий круг проблем, в частности, в качестве одной из

самых первых задач на данном направлении рассматривается создание систем,

способных производить вычисления (или логические операции) за счет

перестройки структур молекулярного уровня организации. Так, недавно в

СМИ широко освещались результаты японских исследований, создавших

молекулярную структуру, вращение которой отвечает проведению логических

операций. По имеющимся сообщениям, данная структура представляет собой

комплекс из 17 молекул дурохинона, образованный водородными связями.

Одна из молекул расположена в центре комплекса и выполняет функцию

подачи команд, ее поворот отвечает 4 «логическим» уровням.

О таких структурах можно говорить как о молекулярных процессорах

или нанопроцессорах, именно в этом смысле в данной книге будет

использоваться термин «нанопроцессор».

Разработка нанокомпьютеров уже сейчас может рассматриваться как

один из главных научно-технических вызовов 21-го века. Существует так

называемый закон Мура, который отражает уменьшение размеров отдельного

элемента, выполняющего логические операции с течением времени. В

соответствии с ним уже в ближайшие десятилетия их размер должен отвечать

размеру отдельной молекулы.

Разумеется, пользоваться аппроксимациями можно только с

достаточной осторожностью, но в данном случае предсказание не вызывает

сомнений. В создании нанотехнологических систем имеется насущная

потребность, так как полупроводниковая элементная база практически

полностью исчерпала запас развития, когда дальнейшее уменьшение размеров

становится невозможным. Более подробно об этом будет говориться в

последующих разделах, но основное рассуждение весьма прозрачно и его

можно дать здесь.

Уменьшение размеров элемента, работа которого обеспечивается

протеканием электрического тока, автоматически означает уменьшение

14

амплитуды сигнала. При достижении наноразмеров амплитуда управляющих

токов становится настолько малой, что само понятие «ток», по существу,

теряет смысл – можно говорить только о перемещении отдельных зарядов.

Системы, осуществляющие запись и хранение информации при помощи

перемещения отдельных зарядов существуют в природе. Это биологические

макромолекулы, а точнее функциональные единицы клеток, обеспечивающих

дупликацию ДНК и синтез других соединений. Они функционируют совсем

иначе, нежели полупроводниковая техника, и на основании только самых

общих соображений можно сделать вывод, что дальнейшее увеличение

быстродействия уже становится возможным только при принципиальном

изменении подходов к записи и хранению информации. Именно в этом

аспекте прогнозировалось возникновение информационной и вычислительной

техники на квазибиологической основе.

По существу, современная вычислительная техника сталкивается с

необходимостью осуществить диалектический переход из количества в

качество. Наноэлектроника – это системы, работающие на другом уровне

организации материи, что и отличает их от известных.

Указанный переход сопровождается целым рядом проблем, которые не

имели аналогов при работе с техникой на полупроводниковой элементной

базе. Одна из них связана с записью информации в структуры молекулярного

уровня организации и ее последующим считыванием. Данная проблема

далеко не ограничивается сложностью работы с элементами исключительно

малого размера. Молекулы, как известно, находятся в постоянном тепловом

движении, поэтому вопрос об энергии записывающего воздействия

приобретает совсем другой характер, нежели по отношению к хорошо

известным полупроводниковым элементам. Упрощенно говоря, для записи

информации необходимо как-то воздействовать на молекулярную структуру,

причем существует вполне определенный количественный показатель,

разграничивающий воздействия по энергии (kT). Если энергия внешнего

воздействия существенно превышает kT, то, с одной стороны, это позволяет

обеспечить такой режим записи информации, при котором тепловые

флуктуации не будут вносить ошибок. Но с другой стороны, это означает, что

почти каждая молекула системы приобретает энергию, намного

превышающую тепловую: эту энергию необходимо выводить из системы для

совершения следующих операций, т.е. миниатюризация заведомо становится

вопросом термодинамики. Вопрос о соотношении энергетических и

информационных характеристик системы перестает носить отвлеченный

характер и приобретает прямое практическое значение.

Уместно подчеркнуть, что, в принципе, существует возможность записи

информации в систему за порогом kT. Данный вопрос долгие годы

дискутировался в литературе, посвященной вопросам воздействия слабых и

сверхслабых полей на биологические системы. Интерпретации механизма

такого воздействия до самого последнего времени не существовало. Это

давало повод для достаточно острой критики усилий во всем данном научном

15

направлении, несмотря на наличие огромного пласта экспериментальных

данных, доказывающих существование выраженного воздействия, например,

вариаций геофизических полей на поведение живых организмов самой

различной таксономической принадлежности.

Однако полученные сравнительно недавно результаты позволяют

сделать вывод, что воздействие сверхслабых полей на физико-химические

системы протекает по механизмам, объяснимым в рамках аналогий между,

скажем, отдельной молекулой полиэлектролита в растворе и нейронной

сетью.

Перспективность такого подхода определяется следующими

соображениями. Как известно, нейронные сети обладают так называемой

толерантностью к ошибкам, причем последние могут быть связаны не только

с искажениями входного сигнала, но и со сбоями в работе самих элементов

сети. Поэтому если записывать информацию не в отдельную молекулу, в

образованную ими сеть сразу, то возникает принципиальная возможность

избежать трудностей, обусловленных kT-фактором. Более того, существует

возможность организовать нейронную сеть химическими методами, точнее

реализовать ее в процессе синтеза, что позволяет существенно упростить сам

процесс изготовления элементов нанокомпьютера. Уже сейчас существуют

примеры использования подхода, в котором работоспособные наноэлементы

не «собираются», а «синтезируются» [6].

Таким образом, как бы это не казалось странным, на первый взгляд,

проблематика нейросетевых методов самым тесным образом сплетается с

задачей создания нанокомпьютерной техники. Следующее «царство»

вычислительных систем, о которых пишет А.Н.Горбань, не может

принципиально не отличаться от существующей техники и по принципам

работы, и по принципам записи и обработки информации.

Использование нейросетевых методов, разумеется, еще больше

сближает вычислительную технику на прогнозируемых принципах с

биологическими системами. В этом отношении использование

полиэлектролитов – веществ, обеспечивающих переработку информации в

живой природе, – представляется более чем естественным, особенно, если

вспомнить методы и идеи некогда популярной бионики. В этом отношении

прогнозируемое постепенное приближение принципов действия

вычислительных систем к тем, на которых основывается работа головного

мозга, приобретает черты реальности. Все это, разумеется, – дело будущего.

Однако уже сейчас просматриваются возможности для создания целого ряда

устройств, принципы действия которых достаточно близки к рассмотренным

выше. Это обстоятельство представляется также весьма важным. Во-первых,

такого рода устройства доказывают реалистичность программ по созданию

нанокомпьютерной техники на основе полиэлектролитов. Во-вторых, эти

возможности наглядно показывают, что принципы наноэлектроники способны

очень быстро распространиться на многие области техники (связь, системы

воспроизведения изображений и многое другое).

16

Сказанное позволяет сделать основной вывод данного раздела.

Наноэлектроника – только в силу необходимости манипулирования

отдельными зарядами – в той или иной степени отвечает прогнозируемому

сближению вычислительной техники с биологическими системами обработки

и хранения информации. Следующее «царство» вычислительной техники

представляется куда более обширным, чем это может показаться на основании

анализа работ по одной только нейрокомпьютерной технике.

Наноэлектроника ставит самые настоящие сверхзадачи, значение которых

трудно переоценить.

3 Лекция № 3. Развитие микро-, нано- и оптоэлектроники, их

внутренних и внешних интерфейсов, сигнальных процессоров

микроконтроллеров. Осуществление логических операций при помощи

перемещения зарядов

Цель: ознакомить с правилами осуществления логических операций

отдельными молекулами.

В настоящее время, предложен ряд принципов, которые могли бы быть

положены в основу нанопроцессорной техники. Так, в литературе

обсуждалась возможность использования для этой цели углеродных

нанотрубкок, алмазоидных углеродных транзисторов, наномеханических

вычислительных систем и т.д. Была высказана идея о том, что логические

операции могут осуществляться отдельными зарядами, перемещающимися в

пределах определенных физико-химических структур за счет

электростатического взаимодействия друг с другом.

В качестве теоретического предела в настоящее время часто

рассматриваются системы, в которые логические операции, составляющие

основу компьютерных вычислений, осуществляются за счет перемещения

единичных атомов, молекул или ионов [5, 6].

Такой теоретический предел становится вполне достижимым, если от

использования «логики токов» перейти к использованию «логики зарядов».

Ниже будет показано, что логические операции могут выполняться

отдельными молекулами. Однако в качестве первого шага представляется

целесообразным рассмотреть, можно ли реализовать логические операции

путем перемещений зарядов в макроскопических объектах. В качестве

матрицы, в пределах которой осуществляется перемещение зарядов,

отвечающие за реализацию логических операций, могут быть использованы

поверхностные слои сшитых полимерных сеток. Примерами таких сеток

являются гидрогели или иониты, а некомпенсированные заряды могут

формироваться непосредственно в поверхностных двойных слоях в

соответствии с механизмами.

Прежде всего, подчеркнем еще раз, что система взаимодействующих

некомпенсированных зарядов (если говорить об объектах, имеющих микро-

17

или наноразмеры) с помощью полиэлектролитных гидрогелей может быть

реализована непосредственно, т.е. это не требует сложного технологического

оборудования.

Рисунок 3.1 - Формирование двойного слоя

Появление двойного электрического слоя схематически можно

отобразить с помощью рисунка 3.1. Он подчеркивает, что в поверхностном

слое гидрогеля образуется некомпенсированный электростатический заряд. В

растворе при этом, очевидно, образуется слой противоположно заряженных

частиц (подвижных ионов).

Распределение такого заряда по поверхности гидрогеля может быть

неоднородным, в частности, с помощью формирования комплексов на

поверхности геля. При этом сформированные заряды могут перемещаться в

тангенциальной плоскости.

Проще всего проиллюстрировать данный вывод, используя пример

сшитой поликислоты (рисунок 3.1). На рисунке схематически показаны

карбоксильные функциональные группы, которые диссоциируют только

частично, так как карбоновые кислоты являются слабыми.

Некомпенсированные заряды, обусловленный диссоциацией поликислоты,

могут перемещаться по поверхности образца по тому же самому механизму,

по которому перемещаются «дырки» в полупроводниках (рисунок 3.2). При

этом между некомпенсированными зарядами на поверхности геля имеет место

электростатическое отталкивание, причем вектор сил отталкивания лежит в

горизонтальной плоскости (рисунок 3.3).

Далее, из-за наличия «зеркального» слоя низкомолекулярных ионов,

сосредоточенных в растворе, потенциал взаимодействия между зарядами,

расположенными вблизи поверхности гидрогеля, отличается и от потенциала

Кулона, и от потенциала Дебая-Хюккеля. При этом радиус экранировки

Рисунок 3.2 - Отталкивание

некомпенсированных зарядов в

тангенциальной плоскости

18

оказывается несколько выше радиуса Дебая, однако имеет тот же порядок, так

как его природа определяется коллективными эффектами экранировки.

Рисунок 3.3 - Миграция некомпенсированного заряда в образце

гидрогеля на основе поликислоты

Ограниченный радиус электростатического взаимодействия между

некомпенсированными зарядами в тангенциальной плоскости создает

предпосылки для осуществления логических операций при помощи

перемещения таких зарядов по поверхности гидрогеля. Покажем это на

простейшем примере осуществления логической операции, отвечающей

вентилю совпадений [1, 7].

Чтобы показать это, обратимся к рисунку 3.4. На нем показаны ячейки 1

и 2, которые служат «входами» для элемента, выполняющего логическую

операцию. Рядом с этими ячейками расположена система из еще трех ячеек

(3,4 и 5), сообщающихся друг с другом. В этих ячейках находится только одна

заряженная частица А, которая может перемещаться по всем ячейкам 3,4 и 5.

Рисунок 3.4 - Выполнение логической операции, отвечающей вентилю

совпадений, системой взаимодействующих зарядов.

Будем также считать, что все используемые частицы несут заряд одного

знака, т.е. отталкиваются друг от друга. Будем пока считать, что логический

«0» соответствует состоянию «ячейка пуста» (это относится к ячейкам 1 и 2,

играющим роль входов). Аналогично логическая «1» отвечает состоянию

1

2

3

4

5

а

б

19

«ячейка занята частицей». В качестве «выхода» логического элемента будем

рассматривать центральную ячейку 4. Примем, что зависимость потенциала от

расстояния вдоль линии аб на рисунке 3.4 имеет вид, показанный на рисунке

3.5 (т.е., что центральная ячейка представляет собой неглубокую

потенциальную яму).

В этом случае при отсутствии частиц на входах системы (т.е. на обоих

входах логические нули), состояние выхода будет отвечать логической

единице (рисунок 3.4). Если в одной из ячеек, отвечающих входу, появляется

частица, то взаимное отталкивание

заставит заряд из ячейки 4

переместиться в ячейку 3 или 5.

Соответственно, ячейка 4 будет пуста,

т.е. состояние выхода системы будет

отвечать логическому «0». В случае,

когда обе входные ячейки заняты, то

состояние выхода снова будет отвечать

логической единице, так как взаимное

отталкивание будет уравновешиваться.

Можно видеть, что

рассматриваемая ячейка выполняет

логическую операцию, отвечающую

вентилю совпадений. Схема,

содержащая последовательно

соединенные вентиль совпадений и

инвертор, осуществляет логическую

операцию «исключающее ИЛИ».

Операция «логическое И» может

быть осуществлена при помощи

сходной системы зарядов,

расположенных в ячейках (рисунок

3.5).

Данная система содержит

дополнительную ячейку 6,

потенциальная яма в которой является

еще более глубокой, чем для ячейки 4.

Поэтому, когда в ячейках 1 и 2 (т.е. на входе системы) отсутствуют заряды, то

частица, способная перемещаться по ячейкам 3-6, окажется в ячейке с

минимальной потенциальной энергией, т.е. в положении 6. Ячейка 4 (выход

системы) при этом будет свободной, что соответствует логическому «0».

Свободной она останется и в том случае, когда заряд имеется только в

одной из ячеек 1 или 2. В этом случае частица переместится в ячейку 5 или 3,

соответственно, а ячейка 4 снова останется незаполненной. Заполненной она

окажется только в том случае, когда в обеих ячейках 1 и 2 будут

Рисунок 3.5 - Вид зависимости

потенциала от координаты

вдоль линии аб, рисунок 3.3

x

U(x)

3 4 5

Рисунок 3.6 - Система зарядов,

выполняющая операцию

«логическое И»

1

2

6

3

4

5

20

располагаться заряды. Легко видеть, что

система рисунка 3.6 в целом выполняет

операции, отвечающие логическому «И».

Таким образом, обе ключевые

операции, обеспечивающие работу 1-

битового сумматора, вполне могут быть

осуществлены при помощи перемещения

зарядов в ячейках с потенциальными

ямами определенной формы. Однако,

такой способ проведения логических

вычислений, к сожалению, не может быть

реализован, если использовать заряды,

вступающие в кулоновские

взаимодействия непосредственно. А именно, кулоновские силы являются

дальнодействующими, поэтому при каскадном соединении ячеек,

выполняющих логические операции, влияние каскадов друг на друга

становится слишком большим. Покажем это, а затем рассмотрим, как

указанное затруднение может быть преодолено за счет перехода к

экранированным взаимодействиям в системах на основе полиэлектролитов [2,

8].

Вернемся к работе ячейки, отвечающей вентилю совпадений (рисунок

3.4). Предположим, что ставится задача каскадно соединить ее с инвертором,

с тем, чтобы получить систему, выполняющую операцию «исключающее

ИЛИ». Сам по себе инвертор может быть выполнен на основе системы,

представленной на рисунке 3.7. (Предполагается, что потенциальная яма в

положении 1 является более глубокой, чем в положении 2). В этом случае

отталкивание между частицами приведет к тому, что ячейка выхода

(положение 1) будет заполнена тогда, когда в ячейке входа частица

отсутствует и наоборот.

Рисунок 3.8 - Потенциалы ограниченного радиуса действия позволяют

исключить взаимное влияние каскадов друг на друга

Однако, каскадное подсоединение такого инвертора к схеме (рисунок

3.4) не позволяет добиться желаемого результата из-за дальнодействия

Вход

1

2

Рисунок 3.7 - Инвертор

21

кулоновских сил. Состояние выходных каскадов будет влиять на работу

входных (рисунок 3.8) и т.д. Данный вопрос снимается, если перейти к

использованию потенциалов ограниченного радиуса, что может быть

обеспечено переходом к экранированным взаимодействиям.

Таким образом, проблема использования некомпенсированных

электростатических зарядов для записи и обработки информации,

обсуждавшаяся уже продолжительное время, решается автоматически, если

перейти к использованию полиэлектролитов, как это и отмечалось выше.

4 Лекция № 4. Пример молекулярного сумматора

Цель: ознакомить с принципами функционирования молекулярного

сумматора.

Как неоднократно отмечалось выше, создание нанопроцессора, в

котором выполнение отдельных логических операций осуществляется

элементами, имеющими молекулярные размеры, в настоящее время

рассматривается как одна из основных проблем нанотехнологии. Ее решение

позволит вплотную подойти к теоретическому пределу быстродействия

компьютерной техники. В предыдущем разделе было показано, что для

осуществления логических и арифметических операций существует

возможность перейти от использования «логики токов» к использованию

«логики зарядов». Естественным уровнем организации материи, на котором

некомпенсированные заряды образуются и проявляются самопроизвольно,

является именно молекулярный. Это в полной мере проявляется в

биологических процессах [1, 2].

Разумеется, в данном случае речь идет только о локальном

некомпенсированном заряде (система в целом остается электрически

нейтральной). Однако локальных отклонений от нейтральности достаточно

для того, чтобы заряды вступали во взаимодействие друг с другом (по

крайней мере, на расстояниях порядка радиуса Дебая, что достаточно для

осуществления вычислений).

Точнее, при переходе к наноразмерам (точнее, к размерам порядка

радиуса Дебая) проблема создания взаимодействующих некомпенсированных

зарядов решается естественным путем, за счет собственной специфики

полиэлектролитных систем. Это и позволяет реализовать системы, в которых

логические операции осуществляются отдельными элементарными зарядами,

на практике.

Покажем, что перемещение зарядов в пределах одной молекулы

вследствие их электростатического взаимодействия действительно позволяет

реализовать n-битовый наносумматор, не затрагивая его конкретную

химическую реализацию, но памятуя, что существуют методы сообщить

молекуле электростатический заряд при помощи внешнего, например,

светового воздействия.

22

Основой работы такого наносумматора (рисунок 4.1) является молекула,

приобретающая электростатический заряд в результате диссоциации.

Существуют условия, при которых заряды могут перемещаться в пределах

молекулы, в том числе, в результате взаимодействия друг с другом. Примером

является взаимодействие некомпенсированных зарядов в молекулах частично

диссоциированных поликислот, где передача заряда происходит по

механизму, аналогичному дырочной проводимости.

Рисунок 4.1 - К принципу действия молекулярного наносумматора

Работу молекулярного наносумматора предлагаемого типа

иллюстрирует рисунок 6.1. Предполагается, что в ячейках (о них говорится в

том же смысле, что и в предыдущем разделе) 1-3 может находиться

элементарный заряд. Химически его появление соответствует диссоциации

соответствующей функциональной группы, что может иметь место, в том

числе под влиянием светового излучения соответствующей длины волны или

других внешних воздействий. Наличие заряда соответствует логической

единице, отсутствие – нулю. Ячейки 4 – 5 связаны между собой, и по ним

может перемещаться два электростатических заряда того же знака, что и

помещаемые в ячейках 1 – 3. Предполагается, что ячейка 7 отвечает выходу

суммы, а ячейка 8 – выходу переноса. В исходном состоянии (рисунок 4.1 а)

данные ячейки пусты, считается, что глубина потенциальной ямы,

отвечающей ячейкам 4 – 8, растет в направлении, показанном стрелкой

(рисунок 4.2).

При помещении в одну из ячеек 1 – 3 заряда вследствие взаимного

отталкивания заряды располагаются так, как показано на рисунке 6.1(б). На

выходе суммы имеет место логическая единица. Аналогично, при помещении

двух зарядов в ячейки 1-3, увеличивается сила отталкивания, и заряды

расположатся еще дальше от входных ячеек (рисунок 4.1(в)). На выходе

суммы – логический ноль, но на выходе переноса – логическая единица [7, 8].

1

2

3

4 5 6 7 8

а) б)

в) г)

23

Рисунок 4.2 - Схема потенциальной ямы, обеспечивающей проведение

операции двоичного суммирования

И, наконец, при появлении всех трех зарядов в ячейках 1-3, сила

отталкивания становится настолько велика, что рабочие заряды расположатся

в крайнем правом положении. Таким образом, на выходе суммы – логическая

единица, на выходе переноса – логическая единица, что соответствует таблице

истинности одноразрядного сумматора (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Таблица истинности для одноразрядного сумматора с

переносом, Pn-1 и Pn – вход и выход переноса для n–ного разряда

Входы Выходы

X1 X2 Pn-1 S Pn

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

Рассматриваемый сумматор может наращиваться покаскадно, для этого

выход переноса (ячейка 8) предыдущего каскада принимается за один из

входов (1-3) последующего, благодаря чему отдельная молекула (или

фрагмент макромолекулы) оказывается способной выполнять функции

сумматора с любым числом разрядов (точнее, число таких разрядов

ограничивается только числом повторяющихся звеньев в соответствующем

полимере или олигомере).

Соответствующая структура для случая n=3 (трехбитовый сумматор)

представлена на рисунке 4.3. Видно, что она выполняет в точности те же

x

U(

x)

0

24

функции, что и традиционно используемый сумматор на основе

полупроводниковых логически элементов, для сравнения традиционная схема

соединения сумматоров показана на рисунке 4.4.

Центральным вопросом при обсуждении работы сумматора такого типа,

как показано на рисунке 4.1 и 4.2, является проблема исключения взаимного

влияния каскадов сумматора (или иной системы, выполняющей логические

операции на наноуровне) друг на друга. Такое влияние неизбежно будет иметь

место, если рассматривается изолированная система одноименных зарядов.

Рисунок 4.3 - Пример покаскадного соединения 1-битовых сумматоров на

основе перемещения элементарных зарядов с учетом разряда переноса

Однако при использовании электролитных систем указанная проблема

также может быть решена естественным путем, за счет эффектов экранировки,

что объединяет системы на основе полиэлектролитных гидрогелей с

возможными системами молекулярного уровня. Как было показано выше,

заряды, окруженные облаком противоионов, способны к взаимодействию

только на ограниченных расстояниях, характерным масштабом которых

является радиус Дебая. Поэтому экранирующий эффект противоионов в

состоянии исключить взаимное влияние каскадов (одноразрядных

сумматоров) друг на друга.

Рисунок 4.4 - Традиционная схема покаскадного соединения одноразрядных

сумматоров на основе полупроводниковых элементов

Слагаемые

n-1 –го

разряда

Слагаемые

n-го разряда

Слагаемые

n+1 -го

разряда

25

Необходимо подчеркнуть, что системы на основе полиэлектролитов

фактически предоставляют возможность регулирования радиуса

взаимодействия в очень широких пределах, что достигается введением в

рабочий раствор низкомолекулярной соли. Кроме того, существует

возможность регулировать расстояние между взаимодействующими зарядами

за счет использования блок-сополимеров, содержащих, помимо заряженных

звеньев, также и электрически нейтральные (введение таких звеньев

фактически просто увеличивает расстояние между отдельными ячейками –

заряженными функциональными группами).

Разумеется, конкретная практическая реализация наносумматора,

действующего на основе описанного принципа, еще потребует рассмотрения

целого ряда нюансов. Однако уже на данном этапе исследований можно

утверждать, что сделан шаг вперед, аналогичный тому, что был осуществлен в

получившей широкую известность магистерской диссертации

основоположника современной информатики К.Э. Шеннона. В ней было

показано, что работа последовательно и/или параллельно соединенных реле

соответствует выполнению логических операций. Именно на этой основе

впоследствии получила развитие современная вычислительная техника.

Весьма существенной проблемой является запись информации в

рассматриваемые структуры молекулярного уровня. Прямое использование,

скажем, светового излучения становится затруднительным из-за больших

длин волн. Как отмечалось выше, к гидрофильным полимерам могут быть

привиты функциональные группы, которые диссоциируют под воздействием

излучения оптического или ультрафиолетового диапазона. Следовательно,

возникает возможность вводить складываемые числа при помощи

оптического излучения, если, например, настроить соответствующую

функциональную группу на заданную длину волны.

Разумеется, при таком, наиболее простом подходе к записи

информации, оказывается, что все молекулы, попавшие под воздействие

излучения, выполняют одни и те же операции. Однако даже такой

максимально упрощенный подход может иметь серьезное практическое

значение, например, для контролируемого ввода препаратов в организм.

Однако такое практическое использование не снимает вопрос о записи

информации в структуры молекулярного уровня. Данная проблема, в

принципе, может быть решена при помощи нейросетевых методов. Поэтому в

следующем разделе дается краткий экскурс в теорию нейронных сетей.

5 Лекция № 5. Макромолекула как нейронная сеть

Цель: показать аналогию между макромолекулой и нейронной сетью

Хопфилда.

Выше была рассмотрена аналогия, которую можно установить между

распределением некомпенсированных (или частично компенсированных)

26

зарядов, существующих на поверхности и нейронной сетью Хопфилда.

Аналогия может показаться спорной, а точнее сугубо формальной, так как

возможности настройки «весов», характеризующих обратные связи между

аналогами нейронов в такой сети, весьма ограничены. Хотя и существует

возможность регулировать потенциалы взаимодействия между зарядами на

поверхности (т.е. аналогами нейронов), нельзя, скажем, сделать так, чтобы

величины ijw , относящиеся к двум близко расположенным зарядам,

существенно отличались друг от друга. Иначе говоря, параметры, задающие

вид потенциального взаимодействия между зарядами на поверхности,

рассмотренной выше, могут изменяться только достаточно плавно.

Намного большими степенями свободы в данном отношении обладает

макромолекула, несущая электростатический заряд, т.е. полиион. Покажем

это. Рисунок 7.1 построен по аналогии с рисунком 6.1б из предыдущего

параграфа. Так же как и в рассмотренном выше случае, аналогами весов,

характеризующих нейронную сеть Хопфилда, является характеристика

взаимодействия между зарядами [1, 2].

Рисунок 5.1 - Макромолекула как аналог нейронной сети Хопфилда

Однако полиион обладает различными конформациями, упрощенно

говоря, он может изгибаться, формируя макромолекулярный клубок. Поэтому

возможности для изменения весов ijw более широки. Взаимодействие между

i -тым и 5i -тым зарядами вполне может оказаться намного более слабым,

нежели между i -тым и 25i -тым, если полиион образует соответствующую

петлю, как это и показано на рисунке 4.1.

Проводимая аналогия тоже может показаться некоторой условностью,

так как «петли», которыми характеризуется конфигурация полииона,

непрерывно формируются и разрушаются снова из-за теплового движения,

т.е. аналоги весовых коэффициентов случайным образом изменяются во

времени. Однако, существуют объекты, в которых указанные петли в той или

иной мере фиксированы. А именно: существуют многочисленные примеры

комплексов, формируемых полиэлектролитами с участием малых молекул,

i

i+5

i+25

27

причем число связей, приходящихся на одну молекулу, может быть равно

двум и более. Такие малые молекулы, очевидно, способны играть роль

мостиков, фиксирующих положение звеньев друг относительно друга, а,

следовательно, и веса нейронной сети. Функциональные группы этих молекул

или звеньев самой цепи могут обладать различной восприимчивостью к

внешним воздействиям (излучение оптического или ультрафиолетового

диапазона, температура, жесткое ионизирующее излучение, электрический

ток и т.д.). Поэтому каждая такая молекула или соответствующая

функциональная группа самой цепи может рассматриваться как элемент,

воспринимающий внешний сигнал, причем восприимчивость является

регулируемой величиной. Это и обеспечивает возможность перестройки

весовых коэффициентов.

При этом необходимо подчеркнуть, что для рассматриваемой системы

влияние зарядов друг на друга действительно составляет петлю обратной

связи, поскольку конкретный заряд (точнее, плотность заряда) на

определенном участке поверхности определяется суммарным полем. Такое

влияние характерно, в частности, практически для всех типов полиионов,

поведение которых определяется гидрофобно-гидрофильным балансом. Силы

растяжения, приложенные к отдельному фрагменту макромолекулярной цепи,

определяются именно локальным значением поля, но состояние указанного

фрагмента зависит не только от них, но и от гидрофобных взаимодействий,

которые, как правило, определяют сжатие цепи. В качестве выхода нейронной

сети могут рассматриваться, например, локальные значения параметров,

характеризующих состояния раствора (диэлектрическая проницаемость,

показатель мутности среды и т.д.).

Таким образом, аналогия между нейронной сетью и отдельной

макромолекулой является достаточно полной. Ниже рассматривается, как ею

можно воспользоваться для качественной интерпретации внешних

воздействий на состояние физико-химической системы. Количественная

интерпретация, разумеется, требует разработки последовательной теории.

С качественной точки зрения вода и водные растворы, по-видимому,

также могут рассматриваться по аналогии с нейронной сетью из-за

существования льдоподобной структуры, образованной водородными

связями. Этот вопрос, конечно, заслуживает отдельного подробного

рассмотрения, однако именно с этих позиций уже на данном этапе можно

пояснить, почему сверхмалые концентрации некоторых веществ могут

оказываться существенное (в том числе и лечебное) воздействие на организм.

Таким образом, использование аналогий между нейронной сетью и

физико-химическими системами может оказаться плодотворным для

оснований гелиобиологии. Кроме того, дальнейшее изучение данного вопроса

имеет значение для работ в области нанопроцессорной техники, так как

нечеткая адресация позволяет существенным образом пересмотреть подходы

к записи информации в структуры молекулярного уровня организации.

28

6 Лекция № 6. Современное состояние и перспективы развития

систем связи космического базирования

Цель: показать особенности распространения радиоволн при

функционировании систем спутниковой связи, показать влияние ионосферы,

радиационных поясов и тропосферы на распространения радиоволн.

Радиосистемы различного назначения настолько прочно вошли в нашу

жизнь, что мы уже не представляем себе возможности существования без них.

Достаточно назвать радиовещание, радиосвязь и телевидение [9, 10].

6.1 Влияние среды на распространение радиоволн

При прохождении через атмосферу скорость распространения радио-

волн отличается от скорости света в вакууме, поэтому в вычисленные

значения псевдодальностей необходимо ввести поправку.

Принято значение этой поправки разбивать на три части, одна из

которых относится к свободному пространству между спутником и

ионосферой, вторая – к ионосфере, а также к радиационным поясам,

содержащим электрически заряженные частицы, и третья – к нижней (до 10

км) части атмосферы - тропосфере.

Радиосигнал, распространяющийся от навигационного космического

аппарата (НКА) до потребителя, проходит три различные среды, влияющие на

поглощение энергии навигационного сигнала, его скорость и траекторию.

Расчёт амплитудных и траекторных характеристик радиоволны,

распространяющейся в какой-либо среде, производится на основе решения

уравнений Максвелла (уравнения поля) и уравнений среды, в которой

происходят электромагнитные процессы. Характеристиками среды являются

величины: а=0, а=0 и , где - проводимость среды, и -

относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Эти

величины с нулевым индексом относятся к вакууму или так называемому

свободному пространству и имеют значения:

= 8,854 ·10–12

, Ф/м, 0 = 4 10-7

= 1,256 ·10–6

, Гн/м.

Для вакуума = = 1, для любых иных сред 1, 1. В общем случае

, и могут быть функциями времени и координат, особенно это относится

к величинам и для реальной земной поверхности и атмосферы, свойства

которых неоднородны и непостоянны во времени.

36

10 9

0

29

6.2 Распространение радиоволн в свободном пространстве

Свободным пространством называют среду, параметры которой не

влияют на распространение радиоволн, то есть = 0, диэлектрическая

проницаемость = 0, магнитная проницаемость = 0. Близка по

характеристикам к свободному пространству область распространения

радиоволн на большом удалении от земной поверхности. С удалением от

излучателя поток мощности электромагнитной волны уменьшается за счёт

пространственного расширения пронизываемой сигналом площади сферы L0 и

за счёт поглощающих свойств самой среды распространения Li [11].

Затухание в свободном пространстве между изотропными антеннами

равно:

.

42

2

0

dL

В децибелах значение L0 определяется по формуле:

L0, дБ = 92.4 + 20 lg f (ГГц)+ 20 lg d(км).

Величину L0 также называют коэффициентом поглощения мощности

радиоволны в свободном пространстве.

6.3 Распространение радиоволн в ионосфере и в радиационных

поясах

Ионосфера является частью атмосферы и имеет сложный высотный

профиль температуры, электронной концентрации и распределения газовых

составляющих. Наиболее важными параметрами ионосферы, влияющими на

распространение электромагнитных волн, являются электронная

концентрация и частота соударений электронов с нейтральными частицами

атмосферного газа [12].

Вариации характеристик сигнала в ионосфере определяются

комплексной диэлектрической проницаемостью , связанной с показателями

преломления n и поглощения æ следующим выражением:

= (n-iæ)2 = (n

2 - æ

2) – i2næ.

При этом выражение для комплексной диэлектрической проницаемости

принимает вид:

2242 cos)v1(4sinsin)v1)(1(2

v)-v(121

isuuuisis

is

,

30

где знак «+» перед корнем в знаменателе выражения даёт решение для

обыкновенной компоненты, а знак «-» - для необыкновенной компоненты

радиосигнала;

- угол между направлением распространения электромагнитной волны

и вектором магнитного поля Земли.

Далее

,2

22

22

n

æ=

,2

22

22

которые используются для расчётов траектории распространения

радиосигнала в диспергирующей среде через закон Снеллиуса:

.sin

sin 1

1 i

i

i

i

n

n

Поглощение энергии радиоволны рассчитывается с помощью

следующего выражения:

1

æexp0

s

s

dsEE

.

6.4 Распространение радиоволн в тропосфере

Третьей областью распространения сигнала от ИСЗ к наземному

приемнику становится тропосфера, которая тоже искривляет первоначальную

траекторию радиолуча и уменьшает скорость его распространения [11, 12].

При этом nt >1 и скорость распространения радиоволны определяется

выражением с=с0/nt.

Показатель преломления радиоволн в тропосфере nt, является функцией

атмосферного давления р, парциального давления молекул воды p(H2O) и

температуры Т, которые имеют существенные сезонные и суточные вариации.

2

226

)00366,01(

)(7,6

00366,0

)(33,0

00366,01

1

760

8,28710)1(

T

OHp

T

OHp

T

pnt

,

где р и p(H2O) выражаются в мм ртутного столба, а T в °С.

Важными задачами является теоретическое обоснование и

экспериментальное подтверждение факта трансионосферного

распространения низкочастотных радиоволн, роли принципа Гюйгенса-

31

Френеля в энергетике связи, роли электрических и магнитных компонент в

передаче информации.

7 Лекция № 7. Проблемы и перспективы развития систем

пеленгации и навигации

Цель: ознакомить с методами навигации и пеленгации, показать

особенности влияния ионосферы и методы учета ионосферных поправок на

функционирование навигационных систем.

Менее заметны в общих задачах телекоммуникаций системы

специализированного назначения, но от этого они не менее важны. К таким

системам относятся системы радиопеленгации, навигации и локации [13].

Радиопеленгация – это система обнаружения работы и расположения

передающего устройства. Иногда пеленгацию относят к пассивной

радиолокации. В работе используется полярная система координат.

Радионавигация – это система для определения своих координат.

Радиолокация – это система обнаружения объекта, определения его

координат, направления и скорости движения.

Все задачи местоопределения решаются на основе измерений

направлений (относительно выбранных географических или магнитных

координат дальностей, или их комбинаций.

Параметры, которые определяются этими системами, - это

географические широта и долгота, а также высота (глубина) над уровнем

моря.

Особое место в нашей жизни занимают системы космического

базирования, то есть системы, использующие искусственные спутники Земли

(ИСЗ).

7.1 Учёт ионосферных поправок

Поправка к псевдодальности, учитывающая влияние ионосферы,

достаточно точно выражается эмпирической формулой:

2f

kd ion

,

где k - коэффициент, зависящий от концентрации электронов вдоль

трассы распространения сигнала.

При использовании двухчастотных приёмников, способных измерять

псевдодальности по кодовым сигналам или по фазе несущей на двух частотах

f1, f2, можно так скомбинировать измерения, что влияние ионосферы

исключится. Обратимся к выражению для псевдодальности, добавив в его

правую часть необходимые поправки за влияние ионосферы dion и

32

тропосферы dtr. Пусть d1 и d2 - результаты кодовых измерений

псевдодальности d на двух частотах:

d1=c-c(tR-tS)+k/f12+ctr;

d2=c-c(tR-tS)+k/f22+ctr.

Если умножить первое из этих выражений на f12/( f1

2- f2

2), а второе на -

f22/( f1

2- f2

2) и затем сложить, то получим:

d3= d- c-c(tR-tS)+ dtr .

С использованием этих данных и приведенных формул потребитель

имеет возможность рассчитать ионосферную поправку dion = с tion.

7.2 Дифференциальные методы введения ионосферных поправок

Стремление потребителей повысить точность одночастотных

приёмников привело к разработке дифференциального метода навигации и

созданию реализующих его дифференциальных навигационных подсистем.

Дифференциальными можно назвать методы определения координат,

скорости и времени потребителя по результатам приёма и обработки сигналов

СРНС в двух разнесённых точках её рабочей зоны. Одна из этих двух точек –

место расположения аппаратуры пользователя, вектор состояния которой

уточняется. Вторая точка – это место с известными координатами.

Вычисленные поправки координат приписываются данным первой точки.

Полное содержание электронов для полуденной ионосферы средних

широт составляет:

19 2

max

0

( ) 3 10 , мeN dh N A B

.

Аббревиатура полного содержания электронов в ионосфере - ТЕС и

ПЭС в английской и русской интерпретации соответственно. Она измеряется

в единицах TECU (1016

м-2

). В течение суток на средних широтах эти

величины варьируют в сотни раз.

7.3 Учёт тропосферных поправок

Существуют различные модели тропосферных задержек, отличающиеся

гипотезами о характере изменения метеопараметров с высотой, наиболее

употребительными являются:

zOHp

Tp

zdtr

2

2 tg)(05,01255

cos

002277,0

.

33

Отметим одно важное обстоятельство: величина тропосферной задерж-

ки зависит от угла наклона направления на спутник.

z

dzd tr

trcos

)0()(

.

Классификация систем местоопределения осуществляется по

назначению, по решаемым задачам, по базированию, по дальности

обслуживания, а также по типам и методам навигации.

7.4 Методы навигации

Методы определения местоположения объекта, которые применяются в

навигации, можно разделить на три группы:

1) Обзорно-сравнительные (визуальная ориентировка; сравнение

телевизионных, радиолокационных и других изображений местности с

соответствующими картами; корреляционно-экстремальная навигация по

физическим полям Земли).

2) Методы счисления пути (доплеровское, инерциальное, воздушное

счисление пути и их комбинации).

3) Позиционные, т. е. методы линий (поверхностей) положения с

использованием радиотехнических, астрономических и т. п. систем [13-15].

7.4.1 Графическое определение координат приёмника по углам прихода

радиоволн от передатчиков методом обратной засечки.

В пунктах 1, 2 и 3, координаты которых известны заранее,

устанавливаются передающие устройства. Приёмное устройство должно

однозначно определить сигнал, какой именно навигационной точки был

принят. В пункте приёма определяются направления прихода i

радиосигналов от i передающих устройств. На карте, где нанесены пункты

расположения трёх передатчиков, восстанавливаются измеренные

приёмником направления. Пересечение построенных линий будет

соответствовать положению приёмника.

7.4.2 Аналитическое определение местоположения приёмника (метод

обратной засечки).

Метод основан на определении потребителем своих координат путём

измерения угловых и дальностных характеристик передатчиков, координаты

которых известны.

Пусть в точке Р горизонтальные углы и между направлениями на

исходные геодезические пункты А, В и С измерены и редуцированы на

плоскость проекции Гаусса.

34

В решении будем полагать известными не только координаты пунктов

А, В и С, но и дирекционные углы исходных направлений, а также и углы

треугольника ABC, так как при надобности все эти элементы могут быть легко

найдены по координатам точек А, В и С с помощью формул аналитической

геометрии на плоскости. Сущность рассматриваемого способа состоит в

вычислении углов и .

При обратной засечке по трём исходным пунктам нельзя

проконтролировать правильность определения положения точки Р, и

возможные ошибки в измерениях или в значениях исходных данных могут

остаться необнаруженными. Поэтому на практике точка Р определяется, по

крайней мере, по четырём известным пунктам.

7.5 Способы решения навигационных задач

Выберем способ местоопределения. Наиболее широкое распространение

получили графический, аналитический и итерационный способы. Наглядным

является графический способ решения навигационной задачи на поверхности

[14-16].

7.5.1 Графический метод решения навигационной задачи по

измеряемым дальностям на плоскости.

Каким-либо способом определяются дальности навигационных

приёмников от трёх навигационных точек d1, d2 и d3 , имеющих известные

координаты xj, yj в Декартовой системе координат.

1) Строится графическое представление Декартовой системы координат.

2) Задается масштаб по осям абсцисс и ординат 50 км = 1 см.

3) На график наносится местоположение навигационных точек.

4) Из заданных положений навигационных точек проводятся отрезки

пересекающихся окружностей с радиусами d1, d2 и d3.

5) Точка пересечения построенных пересекающихся отрезков

окружностей будет соответствовать местоположению приёмника (метод

засечек).

6) Координаты приёмника определяются по проекциям точки

пересечения построенных линий на осях Декартовой системы координат.

7.5.2 Графический способ решения навигационных задач в трёхмерном

пространстве.

Допустим, что потребитель определил своё удаление d1 от единственной

НТ1. Для определения своего местоположения потребитель использует

Декартовую систему координат для плоскости с ортогональными осями X и Y,

направленными на восток В и север С соответственно. Тогда потребитель

может изобразить на плоскости окружность с радиусом d1 , центр которой

размещен в координатах геометрической точки НТ1. По единственной сфере

35

потребитель может сказать себе, что он находится в какой-то неизвестной

точке на сфере.

По измерениям удаления от трёх навигационных точек потребитель

определяет свои координаты в пространстве.

Значит, для определения координат и высоты расположения

потребителя навигационная системы должна иметь, как минимум, три

навигационные точки. Правда в этом случае ещё не решается задача учета

временного сдвига синхрогенераторов приемника и передатчиков. Эту задачу

можно решить включением в навигационную систему четвертой

навигационной точки НТ4. Тогда также методом итерации с добавлением или

вычитанием времени расхождения синхрогенераторов задача

местоопределения решается полностью.

Итак, для решения любых задач навигации система должна обладать

четырьмя навигационными точками. Тогда решается пространственная задача

с определением и высоты расположения приёмника над уровнем моря.

Описанный выше метод называется параболическим методом

определения местоположения.

7.5.3 Аналитический способ решения задач навигации.

Исходные параметры для расчётов удаления приёмника R от

навигационной точки Т можно представить следующим образом.

В полярной системе координат удаление приёмника от передатчика d

определяется из разности векторов OТ-OR находим:

,cos222 OROTOROTd

где - угол между приёмником и передатчиком,

),cos(coscossinsincos TRTRTR

ОТ= R + hТ, OR = R + hR.

Зная координаты ИСЗ в геоцентрической системе, можно вычислить

значения азимута А и угла места для любой точки размещения ЗС. Если

считать Землю идеальным шаром, возвышение станции над уровнем моря

нулевым, а спутник, расположенным в плоскости экватора, с периодом, точно

равным звездным суткам (геостационарный ИСЗ), то азимут и угол места для

луча антенны ЗС можно вычислить по формулам:

karctgA

NCM

NC

)cos(sin

)sin(

;

,)cos(cos2

)cos(cosarcsin

22

NCN

NCN

HRRH

RH

36

где c — долгота подспутниковой точки спутника в относительной

геоцентрической системе координат;

H 42 170 км — высота орбиты над центром Земли;

R= 6371 км — радиус Земли;

k = 0 при N < 0, c > N;

k = 2 при N < 0, c N;

k = 1 при N 0.

По определенному значению угла места можно найти границу зоны

видимости ИСЗ. Эта граница определяется условием > 0.

В декартовой системе координат эта задача выражается в виде системы

четырёх уравнений, описывающих окружности с центрами, расположенными

в навигационных точках. Произведём преобразование полярных координат в

составляющие декартовой системы. Здесь мы имеем:

OA=OB=R - средний радиус Земли = 6371 м;

hR = AR и hS = BТ – высоты приёмника и навигационной точки над

поверхностью Земли;

X, Y, Z – оси ортогональных геоцентрических (декартовых) координат;

ZТ = (hТ+ R)sinТ;

LТ = ( hТ + R)cosТ;

ZR = (hR + R)sinR;

LR = ( hR + R)cosR;

XТ=LТcosТ;

YТ=LТsinТ;

XR=LRcosR;

YR=LSsinR,

где и - широта и долгота;

Z и L – проекции векторов на вертикальную ось и экваториальную

плоскость геоцентрической декартовой системы координат.

Для определения теперь уже трёх искомых значений осевых проекций

ХR , YR , ZR точки R понадобится решать систему из четырёх уравнений:

222 )()()( RiТRiТRТii ZZYYXXd

, i=1, 2, 3, 4.

7.5.4 Разностно-дальномерные РНС.

Разностно-дальномерные РНС, относящиеся к радиотехническим

системам дальней навигации, определяют навигационный параметр р= dA -dB,

где dA и dB - расстояния объекта от двух РНТ.

В качестве параметра можно взять разность расстояний от подвижной

точки до двух неподвижных. Получаем разностно-дальномерное устройство.

В простейшем случае радиопередатчики опорных точек должны излучать

синхронно радиоимпульсы, а на подвижной точке следует иметь приёмник и

37

измерять интервал времени между моментами приёма двух сигналов. Уравне-

ние параметра dБ - dA =c( - tk) = 2a.

Поверхностью положения будет гиперболоид, образованный вращением

гиперболы вокруг оси ОХ.

(x/a)2-(y/b)

2-(z/b)

2=1,

b= [(d/2)2 – a

2]

1/2,

где а и b - полуоси.

Поскольку d/2<a, то полуоси действительные. При разных значениях

параметра получим семейство гипербол.

При увеличении расстояния гипербола стремится к асимптоте y = bx/a.

Положение асимптоты можно характеризовать углом (), отсчитывая

его от перпендикуляра к базе. Тогда уравнение запишем так: y = bx/a = x

ctg .

Описанный выше метод называется гиперболическим методом

определения местоположения.

Рисунок 7.1 - Линии положения на плоскости разностно-дальномерного

устройства

7.6 Общие принципы работы систем GPS и ГЛОНАСС

Пять идей, лежащих в основе спутниковых радионавигационных систем

– СРНС.

Во всех сегментах и элементах СРНС используется оборудование,

построенное на самых современных «высоких технологиях», но идеи в её

основе удивительно просты [17].

1) Местоопределение по расстояниям до спутников.

2) Измерение расстояния до спутника.

38

3) Обеспечение совершенной временной привязки.

4) Определение положения спутника в космическом пространстве.

5) Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

В таблице 7.1 приведены параметры ИСЗ.

Таблица 7.1 – Параметры ИСЗ

№

п/п

Характеристики СРНС

GPS ГЛОНАСС

1 Число ИСЗ 24 24

2 Высота орбиты, км 20200 19100

3 Период обращения 11 час. 58 м. 11ч. 15 м. 44 с.

4 Наклонение орбиты 550 64,8

0 +0,3

5 Количество орбит 6 3

6 Идентификация ИСЗ по коду по частоте

8 Лекция № 8. Тенденции развития систем передачи аудио- и

видеоинформации. Структура и основные функции IPTV

Цель: дать общее представление о направлении развития систем

передачи аудио- и видеоинформации. Приведены структура и основные

функции интерактивного телевидения.

8.1 Тенденции развития видеоинформационных систем

Технической основой информационной среды становятся современные

видеоинформационные системы. Они решают проблемы:

- создания высококачественных систем интерактивного цифрового

телевизионного вещания при удовлетворении постоянно возрастающих

запросов на частотные присвоения систем связи без пересмотра частотных

планов;

- разработки и внедрения принципиально новых систем мобильного

телерадиовещания;

- обеспечения деятельности органов государственной власти;

- создания мобильной видеоконференцсвязи между центральными

учреждениями с удаленными центрами и районами, а также удаленных

районов между собой;

- оптимизации лечебной и профилактической деятельности, создания

систем мобильной телемедицины;

- создания систем дистанционного обучения на базе ведущих вузов,

расширения системы подготовки абитуриентов и многое другое [18].

Проводимые во всех технически развитых странах разработки

алгоритмов и аппаратуры сокращения объема, рационального пакетирования

и передачи по каналам связи с различной пропускной способностью видео-,

39

аудио- и сопутствующей информации являются основой эффективного

использования телекоммуникационных систем и радиочастотного спектра,

сохранения действующих частотных планов, высвобождения значительной

части частотного пространства для передачи потребителям дополнительных

видов услуг — видеотелефонии, мобильной и стационарной

видеоконференцсвязи, многопрограммного интерактивного телевидения,

телевидения повышенной и высокой четкости, технологий трехмерного ТВ

(3D-TV), телевидения ультравысокой четкости (ТУВЧ), многопрограммного

звукового вещания, а также систем ТВ со многими (в будущем — с

произвольным числом) точками наблюдения.

В настоящее время наряду с улучшением и созданием новых систем

сжатия традиционных видеосигналов, снимаемых с одной точки наблюдения,

бурно развивается как стереоскопическое телевидение (бинокулярное), так и

автостереоскопическое (или многоракурсное, с несколькими точками

наблюдения — до 9-16 видов). Также создано и развивается такое

направление, как телевизионные системы с произвольной точкой наблюдения

(ТСПН или Free Viewpoint TV — FTV).

Значительные успехи были достигнуты в создании метрик качества,

которые лучше оценивают субъективно воспринимаемое (перцепционное)

качество. Однако в большинстве случаев эти новые метрики были

разработаны при кодировании статических изображений. Сопоставимые

результаты для динамических изображений не так развиты. Развитие

перцепционно ориентированных инструментов, которые включали бы

временные качественные критерии, является ключевой задачей по улучшению

рабочих характеристик систем кодирования видео. Заметим, что эти виды

инструментов достаточно хорошо развиты для кодирования аудио.

Совершенствование и развитие современных мультимедийных систем

связано не только с реализацией эффективных методов сжатия различных

видов информации, но и ее передачи в реальных сетях связи и вещания,

предназначенных для доставки контента телерадиовещания,

видеоконференцсвязи и ряда дополнительных услуг передачи данных. Такие

сети, как правило, предназначены для достижения заданных качества

обслуживания и режимов передачи/приема (например, с использованием

наземных, спутниковых и кабельных сетей, Интернета).

Как показано на рисунке 8.1, внедрение цифрового формата

осуществляется в трех основных направлениях — спутникового, наземного и

кабельного вещания.

С 2010 года внедряются стандарты цифрового вещания второго

поколения для систем спутникового, эфирного и кабельного вещания — DVB-

S2/DVB-T2/DVB-C2.

Эти стандарты применяются в службах вещания, распределения

контента, электронного сбора новостей и подачи сигнала в студию,

интерактивных службах.

40

Рисунок 8.1 - Научно-технический прогресс в сфере вещательных

технологий

По сравнению с первым поколением стандартов DVB-S/DVB-T/DVB-C

были изменены параметры обработки сигналов: использовано новое

поколение прямой коррекции ошибок, что позволило вплотную приблизиться

к пределу Шеннона; применяются более высокие созвездия, что привело к

существенному повышению эффективности; увеличено возможное

количество несущих OFDM; вводятся новые защитные интервалы;

осуществлена минимизация количества рассеянных пилотов в зависимости от

защитного интервала, в результате чего сокращены накладные расходы;

расширена полоса пропускания; повышена эффективность обработки

информации за счет расширенного временного и частотного перемежения

битов и ячеек.

8.2 Структура и основные функции интерактивного телевидения

Технология IPTV (IP Television) представляет собой технологию

доставки мультимедийных услуг (ТВ, аудио/видео, текст, графика, данные) на

базе сетей IP в интерактивном режиме и в режиме вещания [19].

Провайдер вещательных служб передает контент абоненту, используя

сеть доставки вещательных программ и канал вещания. Контент поступает на

модуль интерфейса сети вещания Set top box абонента, с помощью которого

терминал получателя взаимодействует с сетью. Тоже происходит при

передаче интерактивной информации через сеть интерактивного обмена.

Только в этом случае используются два интерактивных канала: прямой и

обратный.

Весь спектр услуг IPTV можно условно разделить на три основные

группы:

- базовые (канальные) услуги (Basic Channel Service);

41

- расширенные (избираемые) услуги (Enhanced Selective Service);

- интерактивные телематические услуги (Interactive Data Service).

Кроме традиционной ТВ-трансляции, технология IPTV позволяет

операторам предоставлять услуги VoD (video-on-demand), которые их

конкуренты не могут предоставить из-за отсутствия постоянного обратного

канала. Интерактивная инфраструктура IPTV приспособлена к классу on-

demand, interactive и time-shifted услуг, которые желает получать современный

потребитель. Комплекс интерактивных телематических услуг сетей IPTV

представляет собой расширенный набор информационных сервисов.

Сегодня в мире используют три основных метода передачи трафика в

IP-сетях: это – однонаправленный (unicast) трафик, широковещательный

(broadcast) трафик и многоадресная рассылка (multicast). Для реализации

multicast передачи в IP-сети должны быть маршрутизаторы, которые

используют протокол IGMP для отслеживания текущего состояния групп.

8.3 Архитектура IPTV

Для реализации IPTV необходима головная станция (Head-End) - это

серверный программно-аппаратный комплекс, который принимает, хранит и

записывает контент, управляет услугами и абонентами.

Также требуется клиентское оборудование - Set-Top-Box приставки для

телевизоров, которые являются клиентами для головной станции.

Компоненты опорной (магистральной) транспортной сети, в том

числе:

- собственно опорная (backbone) оптическая сеть на базе IP-технологии

или технологии ATM;

- высокопроизводительные коммутаторы (маршрутизаторы) с

оптическими интерфейсами.

Помимо обычных, для любого головного оборудования к головной

станции IPTV предъявляются следующие требования:

- возможность получать входной видеоконтент из многих источников в

различных цифровых форматах (ASI, IP, ATM, SDI);

- полная гибкость в обработке видео-потока (трансрейтинг, транс-

кодинг, энкодинг, мультиплексирование, поддержка адресации трафика

multicast и unicast);

- возможность предоставления сервисов через разные физические типы

транспортных сетей (DSL, оптоволокно (Ethernet), ATM, коаксиальный

кабель, спутниковые сети);

- MPEG-2 и MPEG4 – кодирование/ декодирование;

- поддержка систем условного доступа DVB С AS и/или IP CAS.

42

9 Лекция № 9. Перспективы увеличения скорости, пропускной

способности сетевых каналов. Алгоритмы сжатия видеоинформации.

Стандарт сжатия видео MPEG-2, MPEG-4

Цель: дать обзор развития методов кодирования видео, привести

классификацию методов сжатия информации, дать описание стандартов

сжатия MPEG-2 MPEG-4, ознакомить с принципами функционирования

гибридной модели сжатия видеоинформации и методами компенсации

движения.

9.1 Видеоинформационные приложения и объем цифровой

информации

Основными организациями по стандартизации кодирования видео

являются:

- ITU-T - Группа экспертов кодирования видео (Video или Visual Coding

Experts Group - VCEG) в Международном союзе электросвязи -

Телекоммуникационный сектор стандартизации (International

Telecommunications Union - Telecommunications Standardization Sector - ITU-T,

организация ООН, ранее МККТТ - CCITT), Исследовательская группа 16,

Вопрос 6 (Study Group 16, Question 6);

- ISO/IEC - Группа экспертов подвижных изображений (Moving Picture

Experts Group - MPEG) в Международной организации по стандартизации и

Международной электротехнической комиссии, Объединенный технический

комитет 1, Подкомиссия 29, Рабочая группа 11 (International Standardization

Organization and International Electrotechnical Commission, Joint Technical

Committee Number 1, Subcommittee 29, Working Group 11).

Движущей силой создания стандартов кодирования видеоинформации

являются различные приложения и развитие их аппаратного обеспечения.

Блочное гибридное кодирование является, по сути, ядром всех стандартов

сжатия видео. Среди ранних стандартов можно перечислить H.261, MPEG-1,

MPEG-2/H.262, H.263 и MPEG-4, часть 2 (рисунок 9.1).

Наиболее эффективным является стандарт H.264/AVC (MPEG- 4, Part

10).

Недавно были приняты поправки по кодированию масштабируемого

видео (SVC - scalable video coding), кодированию многоракурсного видео

(MVC - multiview video coding) и реконфигурируемого кодирования видео

[18].

Такие системы требуют разработки кодеров, позволяющих декодерам

обладать некоторой гибкостью. Предположим, сигналы от многих камер

совместно кодировались с использованием инструментов, развитых в

контексте кодирования множества ракурсов (MVC - multiview coding). Тогда

пользователь может изменять угол наблюдения экрана, на самом деле

выбирая только один из ракурсов в потоке бит.

43

Наиболее известные на сегодняшний день алгоритмы сжатия видео

H.261, H.263, H.264 и группа MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4. Все они используют

гибридную модель, основанную на дискретном косинусном преобразовании

(ДКП), для устранения пространственной внутрикадровой избыточности и

дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) для удаления

межкадровой избыточности.

Рисунок 9.1 - История развития методов кодирования видео

В таблице 9.1 приведена классификация подходов к решению задачи

сжатия изображений и видео, а также соответствующее развитие технологий.

Говоря о 4-м и 5-м поколениях, можно отметить, что распознавание и

восстановление подразумевает определение типа контента (дом, автомобиль,

пейзаж, лицо и т.д.) с целью применения метода кодирования,

ориентированного на данный конкретный контент. В этом направлении

сделан большой шаг в алгоритме MPEG-4, который применяет

специфическую технику распознавания, кодирования и дальнейшую

«анимацию» изображения лица и фигуры человека.

Таблица 9.1 – Классификация подходов к сжатию изображений и

видеоинформации

Поколение Подход Технология

0 Прямое кодирование

аналогового сигнала

Импульсно-кодовая

модуляция (ИКМ)

1 Устранение избыточности ДКП, ДВП, ….

2 Структурное кодирование Сегментация изображений

3 Анализ и синтез Кодирование на основе

моделей

4 Распознавание и восстановление Кодирование на основе

базы знаний

5 Интеллектуальное кодирование Семантический анализ и

кодирование

В стандарте MPEG-7 сделан еще один шаг на пути к 5-му поколению. В

нем задается некоторый стандартный способ описания различных типов

44

аудиовизуальной информации. Элементы, являющиеся описанием

аудиовизуального контента, известны как «метаданные». Кодируется не само

изображение, а метаданные, его описывающие, то есть достаточно задать

массив атрибутов, например, лица человека, для воспроизведения на

приемной стороне.

Высшим уровнем представления является семантическая информация в

виде описания сцены словами.

Можно заметить аналогию с историей развития алгоритмов

кодирования звуковых сигналов. От простой «оцифровки» к устранению

избыточности, затем к обработке на основе модели слухового аппарата

человека и к распознаванию отдельных фонем (вокодеры) с целью передачи

только параметров модели речи для дальнейшего синтеза на приемной

стороне.

В настоящее время активно развивается направление исследований,

связанное с ортогональными базисами и вейвлет-преобразованиями.

Например, матрицы Адамара-Марсенна, Адамара-Эйлера, Адамара-Ферма, 3D

вейвлет-декомпозиция. Первые эксперименты показывают, что одновременно

можно осуществлять сжатие, защиту от несанкционированного доступа и

защиту от преднамеренного искажения.

На рисунке 9.2 поясняются основные тенденции развития современных

видеоинформационных систем.

Рисунок 9.2 - Основные тенденции развития современных

видеоинформационных систем

Наряду с ростом числа пикселов в системах ТВ с одной точкой

наблюдения, выражающемся в переходе от систем ТВ к ТВЧ, и затем к ТУВЧ,

45

наблюдается рост числа точек наблюдения - два ракурса для

стереоскопических систем, до 16 ракурсов для систем многоракурсного ТВ, и

практически бесконечное число видов для систем ТСПТН (FTV).

Между тем передавать эти изображения предстоит с использованием

существующих каналов связи, пропускная способность которых, естественно,

остается прежней. Частотное пространство телевидения во многих случаях

ограничено, а, кроме того, крайне привлекательным представляется внедрять

новые системы телевидения, не меняя при этом существующую линейную

каналообразующую аппаратуру. Поэтому решение такой задачи, как

обеспечение возможности передачи хотя бы 4-6 программ телевидения в

стандартном радиоканале, является сегодня исключительно важным, прежде

всего с точки зрения экономической [18].

9.2 Классификация методов сжатия

Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству

воспроизводимого изображения заключены в специфике видеосигнала,

обладающего значительной информационной избыточностью [22].

Существует два типа избыточности:

- статистическая избыточность, связанная с корреляцией и

предсказуемостью данных; эта избыточность может быть устранена без

потери информации, исходные данные при этом могут быть полностью

восстановлены;

- визуальная (субъективная) избыточность, которую можно устранить с

частичной потерей данных, мало влияющих на качество воспроизводимых

изображений; это — информация, которую можно изъять из изображения, не

нарушая визуально воспринимаемое качество изображений.

Статистическая избыточность определяется свойствами изобра-

жения, которое обычно описывается законами, устанавливающими опре-

деленные связи (корреляцию) как между яркостями отдельных элементов, так

и между их цветностями. Особенно велика корреляция между соседними (в

пространстве и во времени) элементами изображения.

В настоящее время усиленно развиваются всё новые методы сжатия

цифровых изображений. Их можно классифицировать, основываясь на

принципе «с потерями видеоинформации/без потерь».

Сжатием без потерь называется процедура, при которой

создаваемый сжатый блок содержит меньше битов, чем исходный, но по нему

возможно однозначное восстановление каждого бита исходного блока [23].

Сжатие с потерями - это две разные процедуры:

- выделение сохраняемой части информации с помощью модели,

зависящей от цели сжатия и особенностей источника и приёмника

информации;

- собственно сжатие без потерь.

46

Алгоритмы сжатия без потерь можно подразделить на несколько

основных групп:

- вероятностные методы сжатия;

- методы сжатия данных по алгоритму словаря;

- методы кодирования длин серий;

- методы сжатия данных в протоколах MNP и другие.

Уменьшение цифрового потока видеосигнала за счет сокращения

статистической и физиологической избыточности в изображении осу-

ществляется с применением более эффективных методов кодирования по

сравнению с ИКМ. При большом их многообразии наиболее широко

распространены следующие виды эффективного кодирования:

- кодирование с предсказанием;

- кодирование с линейным ортогональным преобразованием;

- взвешенное квантование;

- энтропийное кодирование или кодирование с переменной длиной.

На рисунке 9.3 приведена классификация методов сжатия информации.

Рисунок 9.3 - Классификация методов сжатия

47

9.3 Структура потока данных MPEG-2

Метод кодирования движущихся изображений, используемый в

стандартах MPEG-2, называется гибридным, так как в нем сочетаются

внутрикадровое (intraframe) кодирование, направленное на уменьшение в

основном пространственной избыточности в отдельных кадрах, и

межкадровое (inter- frame) кодирование, с помощью которого уменьшается

избыточность, обусловленная межкадровой корреляцией [21, 22].

Внутрикадровая пространственная декорреляция применяет дискретное

косинусное преобразование (ДКП). Основная цель внутрикадрового сжатия

цифровой информации на основе ДКП заключается в сужении частотной

полосы, занимаемой видеосигналом, путём заранее определяемых

амплитудно-частотных потерь некоторых высокочастотных колебаний его

составляющих, но без заметных для глаза снижений чёткости и контрастности

изображения.

Идея, лежащая в основе межкадрового сжатия видеосигнала, предельно

проста. Суть её в следующем: в общей последовательности кадров соседние

кадры мало отличаются друг от друга. В большинстве случаев, зная

распределение яркостных и цветоразностных данных одного кадра, можно с

высокой вероятностью предсказать их распределение в ближайшем соседнем

кадре.

Поток MPEG-2 разделён на несколько иерархических уровней (рисунок

9.4) для улучшения обработки ошибок и упрощения произвольного доступа и

редактирования.

Рисунок 9.4 - Структура потока MPEG-2

Первый уровень - это собственно поток видео (Video sequence layer),

второй уровень - групповой кадр (ГК, Group of Pictures - GOP), состоящий из

нескольких кадров разного типа:

48

- I кадры (Intracoded - внутрикадровое кодирование) кодируются

(сжимаются) без учёта соседних кадров;

- предсказываемые P кадры (Predicted - кодирование с предсказанием)

кодируются с учетом предыдущего I или P кадра;

- B кадры двунаправленного предсказания (Bidirectional -

двунаправленное предсказание) кодируются с учётом предыдущего и

последующего I или P кадров [24].

Третий уровень потока данных - это слой отдельных кадров (Picture

layer) того или иного типа, а четвёртый уровень - секционный (Slice layer).

Пятый уровень потока данных - уровень макроблоков.

В MPEG-2 предусмотрено пять способов кодирования. Первый - это

компенсация движения и предсказание вперед по ближайшим

предшествующим I или Р кадрам. При появлении в кодируемом В кадре

новых объектов применяется предсказание назад по ближайшим

последующим I или Р кадрам вместе с компенсацией движения. Третий

алгоритм включает в себя компенсацию движения и двунаправленное

предсказание по предшествующим и последующим I или Р кадрам. Четвёртый

алгоритм основан на внутрикадровом предсказании без компенсации

движения (он чаще всего используется при резкой смене плана или высоких

скоростях движения отдельных фрагментов картинки). Пятый способ

представления необходим, если в нескольких кадрах изменений нет или они

незначительны.

9.4 Методы анализа и компенсации движения

Компенсация движения является одной из важнейших составных частей

стандартов MPEG-2 (рисунок 9.5). Метод компенсационного предсказания

движения позволяет значительно уменьшить временную избыточность

видеопотока.

Рисунок 9.5 - Иллюстрация принципа компенсации движения

49

Если следующий кадр содержит сдвинутые части предыдущего кадра,

то в этом случае выгодно передавать не весь кадр, а только информацию о

движении и изменении сдвинутого пикселя. Ввиду высокой пространственной

корреляции достаточно передавать один общий вектор движения для

макроблока размером 16 16 пикселей [20-22].

Для корректного восстановления видеопотока последовательность

декодирования кадров должна отличаться от последовательности их передачи

и показа зрителю. Так как внутри группы кадров, состоящей обычно из 12

кадров, каждый B кадр восстанавливается по окружающим его P кадрам (в

начале и конце группы - по I и Р), а в свою очередь каждый Р кадр - по

предыдущему Р (или I) кадру, I кадры могут быть восстановлены независимо

от других, они являются опорными для всех P и B кадров группы.

На рисунке 9.6 приведена общая схема гибридного кодера.

Видеопоследовательность кодируется кадр за кадром.

Рисунок 9.6 - Кодер гибридной модели

Видеокодер обрабатывает кадр Fn и производит закодированный

(сжатый) битовый поток, а декодер использует этот битовый поток для

50

построения реконструированного кадра F'n, который чаще всего не идентичен

исходному кадру Fn. Большинство функций декодера, имеются в кодере.

Имеется два основных пути прохождения данных в кодере: кодирование

и реконструкция.

Процесс кодирование производится в следующем порядке:

1) Очередной видеокадр Fn подаётся на вход кодера и обрабатывается

там макроблоками (соответствующими областям из 16 16 сэмплов яркости и

хроматичности).

2) Кадр Fn сравнивается со ссылочным кадром, например, с ранее

закодированным кадром F'n-1. Функция оценки движения находит в F'n-1, (или

в интерполированной по подсэмплам версии кадра F'n-1) область 16 16,

которая больше других «похожа» на текущий макроблок в Fn (при этом

используется некоторый критерий схожести макроблоков). Смещение

текущего макроблока по отношению к положению выбранного ссылочного

макроблока записывается в вектор движения VM.

3) На основе выбранного вектора движения VM строится прогноз

компенсированного движения P (область 16 16, выбранная функцией оценки

движения).

4) Макроблок P вычитается из текущего макроблока, и их разность D

называется остаточным макроблоком.

5) Макроблок D преобразуется с помощью ДКП. Обычно макроблок D

делится на подблоки 88 или 4 4, и каждый подблок преобразуется

отдельно.

6) Каждый подблок квантуется (X).

7) Для коэффициентов ДКП всех подблоков делается переупорядочение

и результат кодируется символами «серия - значение».

8) Коэффициенты, векторы движения и связанные с ними

информационные заголовки каждого макроблока кодируются энтропийным

кодером для получения выходного сжатого битового потока.

Реконструкция данных предусматривает всего два шага:

1) Для каждого квантованного макроблока X делается его деквантование

и обратное преобразование для получения декодированного остаточного

макроблока D’. Заметим, что процедура квантования не является обратимой,

поэтому макроблок D’ в большинстве случаев не совпадает с D (то есть здесь

вносится искажение).

2) Прогноз компенсации движения P складывается с D’ для получения

реконструированного макроблока, который сохраняется в

реконструированном кадре F’n.

9.5 Стандарт сжатия MPEG-4

В последние годы мультимедийные и графические средства всё чаще

вторгаются в область классического ТВ вещания, которое, в свою очередь,

проникает в сферу мультимедиа. Аудиовизуальное содержание всё чаще

51

используется в интерактивных приложениях, таких, например, как игры или

дистанционное обучение. Все эти факторы сформировали потребность в

едином стандарте, который бы определял формат представления

аудиовизуальной информации, совместимый с любой средой

распространения, и механизмы интерактивного взаимодействия с

мультимедийным контентом [18, 20].

Стандарт MPEG-4 охватывает следующие области:

- цифровое телевидение и видеосвязь;

- интерактивную графику, синтез изображений;

- интерактивные мультимедийные приложения, в том числе

передаваемые через Интернет.

Важнейшей особенностью MPEG-4 является объектно-

ориентированный подход, сущность которого заключается в том, что

передаваемое изображение со звуковым сопровождением представляется как

совокупность видео- и/или аудио- объектов (медиа-объектов).

Любая сцена разделяется на объекты, которые соотносятся в

пространстве и времени и описываются отдельными элементарными

потоками (ЭП). Объекты могут быть натуральными – записанными с

видеокамеры или микрофона, и синтетическими – синтезированными в

компьютере. Для описания сцены и её динамического изменения в MPEG-4

используется специально разработанный двоичный язык BIFS (Binary Format

for Scenes двоичный формат описания сцен). Чтобы увязать ЭП с медиа-

объектами в сцене, используются дескрипторы объекта. Они переносят

информацию о числе и свойствах ЭП, связанных с конкретными медиа-

объектами. Сами дескрипторы также переносятся в одном или нескольких ЭП,

поэтому нетрудно добавить или удалить объект во время сеанса. Язык BIFS

позаимствовал у VRML структуру описания сцены в виде графа, модели

поведения, графические примитивы для построения 3D-изображений: конусы,

сферы, сетки, текстовые примитивы, текстурирование и подсветку (всего их

36).

Полученные в результате кодирования элементарные потоки

необходимо доставить к декодеру. Для этого MPEG-4 предлагает

двухуровневый механизм мультиплексирования. Элементарные потоки

поступают на мультиплексирование, пройдя уровень синхронизации SL (Sync

Layer), где в заголовки пакетированных элементарных потоков (ПЭП)

вводятся временные метки.

Первый уровень, названный FlexMux, играет вспомогательную роль в

мультиплексировании, он объединяет низкоскоростные потоки с

одинаковыми требованиями к качеству передачи, чтобы уменьшить их число

в сложных сценах и сократить время передачи. Использование FlexMux не

является обязательным, и он может быть пустым, если следующий уровень

обеспечивает все необходимые функции.

Второй уровень, TransMux (Transport Multiplexing), предлагает

транспортные услуги по передаче потоков с заданным качеством

52

обслуживания. Условия передачи предполагают необходимую пропускную

способность, допустимый уровень ошибок, максимальное время задержки,

приоритет и т.д. TransMux не является транспортным протоколом как

таковым, он представляет собой скорее интерфейс между кодером MPEG- 4 и

стандартным транспортным протоколом. В качестве такового могут

использоваться протокольные стеки RTP/UDP/IP, AAL5/ATM, транспортный

поток MPEG-2.

Взаимодействие с транспортной средой управляется протоколом DMIF

(Delivery Multimedia Integration Framework — мультимедийная

интегрированная система доставки). После запуска он устанавливает

соединение с удаленным абонентом, выбирает подлежащие передаче потоки и

посылает запрос на их передачу. Порт DMIF посылает отметки к тем точкам,

откуда будут передаваться потоки, и устанавливает соединение.

На приёмном конце индивидуальные ЭП выделяются из пришедшего

транспортного потока путем демультиплексирования. Выделенные после

демультиплексирования пакеты ПЭП обрабатываются с целью извлечения из

них информации о синхронизации. Эта информация переносится в заголовках

пакетов, генерируемых на уровне синхронизации.

Декодирование преобразует данные в AV (аудио-визуальный) объект и

выполняет необходимые операции для реконструкции исходного AV-объекта,

готового для рэндеринга на соответствующем аппарате. Аудио- и визуальные

объекты представлены в их кодированной форме. Реконструированный AV-

объект делается доступным для слоя композиции при рэндеринге сцены.

Декодированные AVO, вместе с данными описания сцены, используются для

композиции сцены. Пользователь может расширить возможности,

разрешённые автором, взаимодействовать со сценой, которая отображается.

10 Лекция № 10. Распределенные вычисления. Архитектура сетей

GRID. Облачные вычисления

Цель: ознакомить с принципами функционирования сетей GRID и

основными понятиями облачных технологий.

Распределённые вычисления — это способ решения трудоёмких

вычислительных задач с использованием нескольких компьютеров, чаще

всего объединённых в параллельную вычислительную систему.

10.1 Архитектура сетей Грид

Грид — географически распределенная инфраструктура, объединяющая

множество ресурсов разных типов (процессоры, долговременная и

оперативная память, хранилища и базы данных, сети), доступ к которым

пользователь может получить из любой точки, независимо от места их

расположения. Грид предполагает коллективный разделяемый режим доступа

53

к ресурсам и к связанным с ними услугам в рамках глобально распределенных

виртуальных организаций, состоящих из предприятий и отдельных

специалистов, совместно использующих общие ресурсы [25].

Общая архитектура грид описывается в виде стека протоколов. В такой

модели каждый уровень предназначен для решения узкого круга задач и

используется для предоставления услуг для более высоких уровней. Стек грид

протоколов включает:

- базовый уровень (Fabric Layer) составляют протоколы, по которым

соответствующие службы непосредственно работают с ресурсами. При этом

ресурс может быть как физической сущностью (например, кластер), так и

логической сущностью (например, распределенная файловая система).

Компоненты базового уровня реализуют локальные, специфические для

ресурсов операции, которые выполняются на заданных ресурсах;

- связывающий уровень (Connectivity Layer) составляют

коммуникационные протоколы и протоколы аутентификации, по которым

обеспечивается обмен данными между компонентами базового уровня;

- ресурсный уровень (Resource Layer) предоставляет протоколы,

которые для взаимодействия с ресурсами, используют унифицированный

интерфейс и не различают архитектурные особенности конкретного ресурса.

Данные протоколы касаются исключительно отдельных ресурсов и поэтому

игнорируют вопросы глобального состояния и неделимых операций,

применяемых к множеству распределенных ресурсов;

- коллективный (Collective Layer) уровень отвечает за координацию

использования имеющихся ресурсов. Протоколы и службы данного уровня не

ассоциированы с каким-либо одним заданным ресурсом, а скорее являются

глобальными по природе и охвату взаимодействий на всем множестве

ресурсов;

- прикладной уровень (Application Layer) описывает пользовательские

приложения, работающие в среде виртуальной организации; приложения

функционируют, используя протоколы, определенные на нижележащих

уровнях.

В грид используются основные элементы технологии Веб-сервисы

(WebServices). Основу ее составляют:

- система WWW-адресации URL;

- протокол передачи гипертекста HTTP;

- язык гипертекстовой разметки HTML и расширяемый язык разметки

XML;

- протоколы SOAP (Simple Object Access Protocol) для управления

сообщениями в универсальном XML-формате;

- язык WSDL (Web Services Definition Language) описания интерфейса

взаимодействия компонент распределенной системы.

Это позволяет функции грид-технологии (служебные и ресурсные)

оформить единообразно в виде веб-сервисов, используя для работы с ними все

стандарты технологии WebServices [26].

54

На рисунке 10.1 схематично представлен простой сервисно-

ориентированный грид, в котором сервисы используется и для виртуализации

ресурсов, и для обеспечения других функциональных возможностей грида.

Рисунок 10.1 – Упрощенная схема сервисно-ориентированного грида

На схеме показана единая консоль и для запуска заданий в грид-среду, и

для управления грид-ресурсами. Программное обеспечение интерфейса

пользователя (консоли) обращается к сервису регистрации, чтобы получить

информацию о существующих грид-ресурсах. Затем пользователь

посредством консоли входит в контакт с сервисами, «представляющими»

(виртуализующими) каждый ресурс, чтобы запросить периодическое

получение данных о работе ресурсов и получение извещений о существенных

изменениях в их состоянии (например, если ресурс становится недоступным

или сильно загруженным) [27].

Пользователь направляет запрос на запуск задания в службу запуска,

которая передает запрос службе распределения заданий (часто называемой

планировщиком).

Служба распределения контактирует со службой, представляющей

приложение, и запрашивает информацию о требованиях к ресурсам для

выполнения задания.

Затем служба распределения запрашивает у службы регистрации

информацию о всех подходящих ресурсах в гриде и напрямую контактирует с

ними, чтобы убедиться в их доступности. Если подходящие ресурсы

доступны, планировщик выбирает наилучшую доступную совокупность

ресурсов и передает информацию о их сервису приложения с запросом на

55

начало выполнения. В противном случае планировщик ставит задание в

очередь и выполняет его, когда необходимые ресурсы становятся

доступными. Когда выполнение задания заканчивается, сервис приложения

сообщает о результате планировщику, который извещает об этом сервис

запуска заданий. Сервис запуска заданий, в свою очередь, уведомляет

пользователя.

Главным результатом работы службы должна быть высокая степень

автоматизации и оптимизации использовании ресурсов в рамках грид-среды.

В среде грид явным образом присутствуют следующие элементы:

1) Программы пользователя.

2) Ресурсы.

3) Промежуточное программное обеспечение (Middleware),

выступающее в роли посредника между пользовательскими программами и

ресурсами. Middleware включает большой объем программного обеспечения,

разрабатывается большими организациями и строго стандартизуется, чтобы

обеспечить взаимно перекрестное использование частей этого Middleware

разными разработчиками.

В число наиболее известных пакетов Middleware входят:

- Globus Toolkit. Условно его можно назвать американским

направлением, разрабатывается многими организациями, в частности, по

проекту Globus, который возник в Аргоннской национальной лаборатории.

Здесь разработаны пакеты GT1,GT2, GT3 и GT4;

- gLITE. Его условно можно назвать европейским проектом, поскольку

его разработка курируется Европейским центром ядерных исследований

(CERN). gLITE также явился следствием ряда предыдущих проектов (EDG,

LCG и др.) .

GT4 содержит набор стандартных служб. На данный момент они

представляют собой девять Web-сервисных интерфейсов, но их число растет.

1) Управление заданиями: пакет программ выявления и управления

ресурсами (GRAM).

2) Надежная файлопередача (RFT).

3) Делегирование функций.

4) Система мониторинга и выявления свободных ресурсов – индекс

(MDS-index).

5) Система мониторинга и выявления – MDS-trigge.

6) Система мониторинга и выявления – сбор данных (MDS-aggregate).

7) Авторизация сообщества (CAS).

8) Интеграция и доступ к данным (OGSA-DAI).

9) Протокол дистанционного контроля Grid (GTCP) для онлайнового

контроля оборудования.

В настоящее время каждая современная грид базируется на Открытой

Архитектуре грид-служб (OGSA), который позволяет интеграцию служб и

ресурсов через распределенные, гетерогенные, динамические виртуальные

организации. OGSA — это информационная спецификация, которая призвана

56

определять общую, стандартную и открытую архитектуру для грид-

приложений. Цель OGSA состоит в том, чтобы стандартизировать почти все

услуги, которые грид-приложение может использовать, например, задание и

сервисы управления ресурсом, коммуникации и безопасность. OGSA

определяет сервис-ориентированную архитектуру (SOA) для грид, которая

реализует модель вычислительной системы как ряд реализованных

распределенных вычислительных образцов, используя Веб-сервисы как

основную технологию. В основном, стандарт OGSA определяет интерфейсы

обслуживания и идентифицирует протоколы для того, чтобы вызывать эти

услуги.

10. 2 Облачные вычисления

Облачные вычисления представляют собой результат эволюции

множества различных технологий, которые в комбинации изменили

организационный подход к построению информационной инфраструктуры

предприятия. Так, например, в литературе можно встретить утверждение, что

проект Cloud (Облако) – это проект коммерциализации грид-технологий, в

рамках которого небольшие компании, институты, нуждающиеся в

вычислительных ресурсах, но которые не имеют возможности содержать свой

суперкомпьютерный центр, могут покупать вычислительное время грида.

Другие авторы связывают историю появления облачных вычислений с

историей мейнфреймов и виртуализацией центров обработки данных.

Концепция облачных вычислений значительно изменила традиционный

подход к доставке, управлению и интеграции приложений. В отличие от

классических моделей вычислений, преимущественно опирающихся на

собственные программно-аппаратные ресурсы, облачная модель состоит из

сервисов, клиентов, централизованно управляемого контента и виртуальных

машин. По сравнению с традиционными ИТ-инфраструктурами облачные

вычисления позволяют управлять более крупными инфраструктурами,

обслуживать различные группы пользователей. Облачные вычисления

уменьшают сложность ИТ-инфраструктуры за счет эффективного

объединения ресурсов в самоуправляемую виртуальную инфраструктуру и их

предоставления но требованию в качестве услуг [27, 28].

Все существующие модели облачных вычислений можно разделить на

четыре основных типа: частные, сообщества, публичные и гибридные.

Частное облако (Private cloud). Облачная инфраструктура,

подготовленная для эксклюзивного использования одной организацией,

включающей несколько потребителей (например, бизнес-единиц). Такое

облако может находиться в собственности, управлении и обслуживании у

самой организации, у третьей стороны и располагаться как на территории

предприятия, так и за его пределами.

Облако сообщества/коммунальное облако (Community cloud). Облачная

инфраструктура, подготовленная для эксклюзивного использования

57

конкретным сообществом потребителей, имеющих общие проблемы

(например, миссии, требования безопасности, политики). Облако может

находиться в собственности, управлении и обслуживании у одной или более

организаций в сообществе, у третьей стороны и располагаться как на

территории организаций, так и за их пределами.

Публичное облако (Public cloud). Облачная инфраструктура,

подготовленная для открытого использования широкой публикой. Оно может

находиться в собственности, управлении и обслуживании у деловых, научных

и правительственных организаций в любых их комбинациях. Облако

реализуется на территории облачного провайдера.

Гибридное облако (Hybrid cloud). Облачная инфраструктура

представляет собой композицию из двух или более различных инфраструктур

облаков (частные, общественные или публичные), имеющих уникальные

объекты, но связанных между собой стандартизированными или

собственными технологиями, которые позволяют переносить данные или

приложения между компонентами (например, для балансировки нагрузки

между облаками).

Архитектура облачных вычислений согласно рекомендации NIST

содержит пять главных действующих субъектов [29]:

- облачный потребитель - лицо или организация, поддерживающая

бизнес-отношения и использующая услуги облачных провайдеров;

- облачный провайдер - лицо, организация или сущность, отвечающая за

доступность облачной услуги для облачных потребителей;

- облачный аудитор - участник, который может выполняет независимую

оценку облачных услуг, обслуживания информационных систем,

производительности и безопасности реализации облака;

- облачный брокер - сущность, управляющая использованием,

производительностью и предоставлением облачных услуг, а также

устанавливающая отношения между облачными провайдерами и облачными

потребителями;

- облачный оператор - посредник, предоставляющий услуги

подключения и доставки облачных услуг от облачных провайдеров к

облачным потребителям.

На рисунке 14.2 представлена схема взаимодействия участников

облачных вычислений.

Облако представляет собой набор сервисов разного уровня, каждый из

которых вносит собственный вклад в предоставляемые услуги.

Самый нижний уровень отвечает за инфраструктуру (IaaS, Infrastructure

as-a-Service - инфраструктура как услуга). IaaS – это услуга по

предоставлению вычислительных мощностей, систем хранения, сетевых и

других фундаментальных вычислительных ресурсов, поверх которых

облачные потребители могут развертывать и выполнять приложения на

облачной инфраструктуре.

58

Следующий уровень сервисов - уровень платформы (PaaS, Platform as a

Service - платформа как услуга). Этот уровень включает не только

инфраструктуру, но и операционные системы, а в ряде случаев - и некоторые

приложения (к примеру, клиенту может быть предоставлена виртуальная

машина с определенной ОС и набором приложений и доступ к определенной

СУБД или серверу приложений).

Рисунок 10.2 – Схема взаимодействия участников облачных вычислений

На следующем уровне располагается уровень приложений (SaaS,

Software as а Service - программное обеспечение как услуга), который

предполагает использование приложения из облака для работы на локальном

компьютере. Услуги подобного рода доступны достаточно давно, например,

функционирование многих интернет-магазинов.

Кроме описанных выше базовых облачных сервисов IaaS, PaaS и SaaS,

могут быть востребованы и доступны некоторые специализированные

сервисы.

Данные как услуга (DaaS, Data as a Service) - предоставление данных по

требованию пользователя независимо от его или провайдера географического

расположения или организационной принадлежности.

Рабочее место как услуга (WaaS, Workplace as a Service) –

предоставление виртуализированного рабочего места, частный случай IaaS.

Коммуникации как услуга (CaaS, Communication as a Service) – в

качестве сервисов предоставляются услуги связи – IP-телефония, почтовые

услуги, общие средства связи и т.д.

Преимущества облачных вычислений:

59

- снижаются требования к вычислительной мощности ПК (непременным

условием является только наличие доступа в Интернет) - облачные

технологии обеспечивают высокую скорость обработки данных;

- облачные технологии позволяют экономить на приобретении,

поддержке, модернизации ПО и оборудования;

- имеются возможности простого расширения для обслуживания

большего количества пользователей или внедрения дополнительных сервисов,

либо свертывания, например, в сезон отпусков;

- пользователь оплачивает услугу только тогда, когда она ему

необходима, и платит только за то, что использует;

- низкая фиксированная ежемесячная оплата определяется тем, что

облачные вычисления позволяют обеспечивать экономию при росте масштаба

(до миллионов пользователей) и недорогую эксплуатацию (вычислительные

центры без привлечения человеческих ресурсов).

Недостатки облачных вычислений:

- пользователь не является владельцем и не имеет доступа к внутренней

облачной инфраструктуре. Сохранность пользовательских данных

существенно зависит от компании провайдера;

- в отличие от локальных систем, удаленные облачные сервисы не

находятся в круге влияния пользователя: пользователь получает тот уровень

безопасности в облаке, который может предоставить провайдер;

- для получения качественных услуг пользователю необходимо иметь

надежный и быстрый доступ в Интернет.

Из рисунка 14.2 видно, что только облачный провайдер занимается

вопросами обеспечений безопасности. Провайдер также должен заключать с

облачным оператором связи соглашение об уровне обслуживания (SLA) для

обеспечения соответствующего уровня сервиса. В общем случае, к облачному

оператору связи могут предъявляться требования по предоставлению

выделенного и защищенного соединения.

10. 3 Сравнение грид и облачных технологий

Архитектуры грид и облаков заметно различаются, поскольку

создавались исходя из разных предпосылок. На первых повлияло стремление

как можно эффективнее использовать дорогостоящие распределенные

вычислительные ресурсы, сделать их динамическими и однородными.

Поэтому архитектура сфокусирована на интеграции уже существующих

ресурсов, включая оборудование и программное обеспечение, операционные

системы, локальные средства, обеспечивающие управление и безопасность. В

результате создается «виртуальная организация», ресурсы которой,

переведенные в логическую форму, могут потребляться членами только этой

организации. Существование этой организации поддерживается пятью

уровнями протоколов, инструментами и сервисами, построенными поверх них

(рисунок 10.3а). Нижним является инфраструктурный уровень,

60

объединяющий компьютеры, системы хранения, сети, репозитории кодов.

Выше него расположен уровень связности, на нем определены

коммуникационные протоколы и протоколы аутентификации. Ресурсный

уровень обеспечивает предоставление ресурсов, возможности управления ими,

разделение между отдельными пользователями и оплату. Коллективный

уровень дополняет ресурсный, позволяя оперировать наборами ресурсов.

Уровень приложений служит для поддержки приложений.

Архитектура облаков открыта для доступа через интернет, а не только в

рамках грид. Обращение к пулам вычислительных ресурсов и системам

хранения данных осуществляется по стандартным протоколам, например,

таким, как WSDL и SOAP, или с помощью более продвинутых технологий

Web 2.0 (REST, RSS, AJAX), а также через существующие технологии грид.

Рисунок 10.3 – Сравнение архитектур грид а) и облачных вычислений б)

Протоколы облаков можно разделить на четыре уровня (рисунок 14.3б).

Инфраструктурный уровень содержит «сырые» компьютерные ресурсы

(серверы, системы хранения, сети). Уровень унификации ресурсов содержит

те же ресурсы, но в абстрагированном виде – они могут быть представлены

пользователям и верхнему уровню как виртуализованные серверы, кластеры

серверов, файловые системы и СУБД. Уровень платформ добавляет набор

специализированных инструментов, связующее ПО и сервисы поверх

универсальных ресурсов, образуя среду для разработки и внедрения

приложений. Уровень приложений содержит приложения, исполняемые в

облачной среде.

Организационно процесс конвергенции этих двух технологий нашел

отражение в формировании в 2009 г. в организации OGF (Open Grid Forum

рабочей группы OCCI-WG (Open Cloud Computing Interface - Workig Group).

Ее задача — создание стандартного открытого API (Application Programming

Interface) для облачной инфраструктуры, предоставляемой по требованию.

Это шаг к сращиванию средств использования ресурсов в распределенных

системах решения задач, предоставляемых грид-структурами, со средствами

облачных вычислений.

61

11 Лекция №11. Правила осуществления радиоконтроля в РК

Цель: ознакомить с правилами осуществления радиоконтроля в РК. Дать

понятие электромагнитной обстановки, классификации радиопомех по месту

возникновения и по способу воздействия на телекоммуникационные системы.

Показать основные пути достижения нормативных показателей по

электромагнитной совместимости.

Правила осуществления радиоконтроля в РК.

Правила осуществления радиоконтроля на территории Республики

Казахстан утверждены приказом Министра транспорта и коммуникаций

Республики Казахстан от 10 сентября 2002 года N 304-I. Они вводятся в целях

упорядочения использования радиочастотного спектра, регулирования и

контроля за деятельностью юридических и физических лиц, государственных

органов, эксплуатирующих (применяющих) радиоэлектронные средства и

высокочастотные устройства.

Понятия, применяемые в настоящих Правилах:

- радиоэлектронное средство (далее - РЭС) - техническое средство,

состоящее из одного или нескольких радиопередающих или радиоприемных

устройств или их комбинаций и вспомогательного оборудования,

предназначенные для передачи и приема радиоволн;

- высокочастотное устройство (далее - ВЧУ) - оборудование или

приборы, предназначенные для генерирования и местного использования

радиочастотной энергии в промышленных, научных, медицинских, бытовых

или подобных целях, за исключением применения в области электросвязи;

- радиоконтроль - система мер, обеспечивающая эксплуатацию

радиоэлектронных средств с допустимым уровнем помех, путем выполнения

технического контроля за радиоизлучениями, инспекцию радиоэлектронных

средств и высокочастотных устройств, выявление и пресечение действия

источников радиопомех, нарушений порядка использования радиочастот,

действующих стандартов и норм на параметры излучения РЭС и ВЧУ;

- владелец РЭС и ВЧУ - юридическое или физическое лицо,

использующее в своей деятельности, или в иных целях, присвоенные

радиочастоты или радиочастотные каналы для эксплуатации РЭС и ВЧУ;

- присвоение радиочастоты или радиочастотного канала - выдача

уполномоченным органом разрешения на использование радиочастоты или

радиочастотного канала при определенных условиях;

- электромагнитная совместимость (далее - ЭМС) - способность

радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств одновременно

функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством

при воздействии на них непреднамеренных радиопомех и не создавать

недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным средствам;

62

- конверсия - высвобождение радиочастот, выделенных

соответствующим государственным органам, с целью использования

радиоэлектронными средствами гражданского назначения;

- двойное применение - использование в коммерческих целях

радиочастот, выделенных для обеспечения безопасности, обороны и охраны

правопорядка Республики Казахстан;

- уполномоченный орган - Комитет по связи и информатизации

Министерства транспорта и коммуникаций Республики Казахстан,

осуществляющий радиоконтроль за использованием физическими и

юридическими лицами радиочастотного спектра и контроль в части

соблюдения ими норм законодательства, определяющих порядок

функционирования РЭС и ВЧУ, а также за установленными в лицензиях и

разрешениях требованиями и условиями осуществления разрешенного в ней

вида деятельности.

Основной целью радиоконтроля является обеспечение устойчивой

работы РЭС и ВЧУ на основе рационального и эффективного использования

радиочастотного спектра, а также проведения исполнительных,

разрешительных, надзорных, контрольных и иных мер, осуществляемых

уполномоченным органом.

Радиоконтроль за излучениями РЭС и ВЧУ гражданского назначения

осуществляется уполномоченным органом в соответствии с Законом

Республики Казахстан от 18 мая 1999 года «О связи», иными действующими в

области телекоммуникаций актами, а также настоящими Правилами,

определяющими техническое соответствие эксплуатируемых РЭС и ВЧУ

установленным нормам и требованиям ЭМС.

В отношении владельцев РЭС и ВЧУ, которые находятся под

юрисдикцией Республики Казахстан в международных водах, воздушном и

космическом пространстве или на территории иностранных государств,

настоящие Правила применяются с учетом обязательств Республики

Казахстан по Уставу и Конвенции Международного союза электросвязи и

иных международных договоров.

Радиоконтроль осуществляется путем проверки технической

документации и разрешений (документальный контроль), параметров РЭС и

ВЧУ, а также режимов его работы с помощью контрольно - измерительной

аппаратуры и средств радиотехнического контроля (инструментальный

контроль). Порядок и периодичность проведения проверок определяется

уполномоченным органом в соответствии с действующим законодательством.

При выявлении нарушений, допускаемых пользователями РЭС,

уполномоченный орган направляет им предписание об устранении

нарушений. В случае невыполнения предписания пользователями РЭС к ним

применяются санкции в соответствии с законодательством Республики

Казахстан.

В случае возникновения помех в работе зарегистрированного РЭС

гражданского назначения:

63

- владельцам РЭС, испытывающих помехи, необходимо убедиться в

соответствии нормам и стандартам технических параметров РЭС, в том числе

избирательных и защитных свойств приемных устройств. Если они не

соответствуют нормам, владельцы РЭС должны принять меры по приведению

характеристик в соответствие с нормами или заменить РЭС в установленном

порядке. При возникновении помех вследствие излучений от других РЭС и

ВЧУ владельцы РЭС, испытывающих помехи, обращаются в уполномоченный

орган;

- уполномоченный орган организует работы по определению

источников и характера помех, причины их возникновения и принимает меры

к их устранению;

- вследствие нарушения установленных параметров и / или режимов

работы, ухудшения избирательных или защитных свойств приемного

устройства РЭС или помех интермодуляционного характера, обусловленного

взаимным влиянием РЭС, находящихся рядом, уполномоченный орган выдает

рекомендации по устранению помех. Устранение помех владелец РЭС

осуществляет самостоятельно;

- при невозможности устранения помех на присвоенных частотах

уполномоченный орган производит новое присвоение радиочастот без

взимания дополнительных плат;

- вследствие непреднамеренных помех промышленного или

технологического характера, уполномоченный орган принимает меры по

определению источника помех и их устранению.

При поступлении претензий от администраций связи иностранных

государств на радиопомехи, источники которых находятся на территории

Республики Казахстан, уполномоченный орган в соответствии с

международным соглашением определяет правовую основу этих претензий, и

если претензии обоснованы, устанавливает причины помех и принимает меры

по их устранению.

В случае, если РЭС, расположенные на территории Республики

Казахстан, испытывают помехи от источников, расположенных на территории

других государств, уполномоченный орган в соответствии с международным

соглашением принимает меры по устранению помех в целях защиты

интересов владельцев РЭС, находящихся на территории Республики

Казахстан.

Мероприятия по выявлению и пресечению радиопомех и действия РЭС

без соответствующих разрешений, проводятся уполномоченным органом.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) — способность технических

средств правильно функционировать в условиях воздействия

электромагнитных помех.

Невыполнение требований электромагнитной совместимости (ЭМС)

может иметь достаточно серьезные последствия в различных сферах

деятельности человека и на производственных предприятиях: привести к сбою

в электронных системах управления воздушного транспорта, автоматических

64

производственных линий, систем управления промышленных объектов и

объектов энергетики, медицинского оборудования. Для цифровых устройств

проблема ЭМС встает особенно остро: под воздействием помех основные

системы контроля могут выходить из строя и срабатывать ложно. К

неправильному функционированию микропроцессоров могут привести

импульсные помехи от удара молнии, плановые и аварийные коммутации,

короткие замыкания, высокочастотные поля от радиопередающих устройств,

сварочные аппараты, бытовые электроприборы и даже синтетические

ковровые покрытия.

Для оценки воздействия электромагнитных полей на

инфокоммуникационные системы вводится понятие электромагнитной

обстановки.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) — совокупность

электромагнитных излучений, образованных за счет совместной работы

радиоэлектронных систем и других источников непреднамеренных

радиопомех в точке расположения приёмного устройства рассматриваемой

радиотехнической системы.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) — совокупность

электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства,

частотном и временном диапазонах ГОСТ 30372-95.

Жесткость электромагнитной обстановки – это обобщенная

характеристика ЭМО, которая зависит от интенсивности кондуктивных и

излучаемых помех, действующих в месте размещения технических средств.

Жесткость ЭМО определяется условиями размещения, установки и монтажа

технических средств. По жесткости электромагнитная обстановка (ЭО)

разделяется на 4 группы:

- I – легкая ЭО;

- II – ЭО средней жесткости;

- III – жесткая ЭО;

- IV – крайне жесткая ЭО.

В ГОСТ Р50746-2000 определены качественные признаки

классификации жесткости электромагнитной обстановки в зависимости от

условий размещения, установки и монтажа технических средств:

характеристик системы заземления, экранирующих свойств помещения, вида

системы питания технических средств, установочно-монтажных условий в

помещении (наличие помехоподавляющих средств, экранирований, сетевых

фильтров, защит от перенапряжения и пр.), условий размещения технических

средств, наличия постороннего оборудования в помещении (наличие другого

оборудования, подключенного к той же сети питания, наличие

высоковольтного оборудования, наличие источников электростатических

разрядов, виды и питание светильников), наличия переносных

радиотелефонных систем и радиостанций.

Электромагнитная обстановка делится на классы:

1) Класс 1 - Жилые помещения сельской местности.

65

2) Класс 2 - Городские жилые помещения.

3) Класс 3 - Коммерческая зона.

4) Класс 4 - Производственные зоны с малым энергопотреблением.

5) Класс 5 - Предприятия тяжелой промышленности и энергетики.

6) Класс 6 - Зона улиц и дорог с интенсивным движением.

7) Класс 7 - Помещения центров передачи данных.

8) Класс 8 - Помещения медицинских учреждений.

Электромагнитную обстановку на объекте определяют следующие виды

помех, классифицируемых в ГОСТ Р 51317.25:

- низкочастотные кондуктивные и излучаемые электромагнитные

помехи, вызываемые любым источником, кроме электростатических разрядов;

- высокочастотные кондуктивные и излучаемые электромагнитные

помехи, вызываемые любым источником, кроме электростатических разрядов;

- электростатические разряды.

Электромагнитную обстановку на любом объекте характеризуют

следующие основные факторы:

а) влияние других технических средств:

На работу различных электронных ТС, установленных на объекте,

оказывает влияние и другое оборудование, установленное на этом объекте:

низковольтное и высоковольтное оборудование, крупное промышленное

оборудование, применяемое на объекте, линии электропитания, другие

системы, работающие на объекте, системы передачи сигналов, а также другое

оборудование, работающее с ними в системе управления;

б) виляние системы управления на включенное в нее оборудование:

На работу ТС оказывает влияние работа самой системы, в которую они

включены: другое электронное оборудование системы, а также помехи,

создаваемые в системе;

в) влияние передаваемых сигналов (помех, наводок):

На работу ТС на промышленных объектах оказывают влияние

различные помехи и наводки: электрические и магнитные поля,

электромагнитные поля, наведенные напряжения и токи, переходные

процессы в системах;

г) некачественное заземление:

На работу ТС оказывают влияние неупорядоченное заземление

оборудования и отсутствие специально спроектированных систем

заземления;

д) колебания в сетях питания:

На работу ТС оказывают влияние отклонения, колебания и

кратковременные прерывания напряжения питания, провалы и выбросы

напряжения питания, изменение частоты напряжения питания, наличие

постоянных составляющих в напряжении питания.

Критерий качества функционирования оборудования определяется

совокупностью свойств и параметров, характеризующих работоспособность

66

ТС при воздействии помех. Разделяют 4 группы критериев качества

функционирования:

A – помеха не вызывает никаких сбоев в работе оборудования;

B – сбои в работе оборудования возникают только во время воздействия

помехи, а после ее снятия – оборудование работает нормально;

C – нарушение функционирования оборудования остается и после

снятия помехи, для приведения оборудования в нормальный режим работы

необходимо вмешательство оператора (например, перезагрузка или

выключение-включение оборудования);

D – восстановление работы оборудования возможно только после

проведения ремонта.

12 Лекция №12. Испытание технических средств на ЭМС

Цель: ознакомить с видами испытаний технических средств на ЭМС,

правилами сертификационных испытаний и классификацией основного

оборудования для проведения испытаний на электромагнитную

совместимость (ЭМС).

ГОСТ Р 50746 определяет требования по устойчивости технических

средств к помехам. В нем задаются требования по устойчивости к:

микросекундным импульсным помехам большой энергии;

динамическим изменениям напряжения электропитания;

наносекундным импульсным помехам;

электростатическим разрядам;

радиочастотному электромагнитному полю;

магнитному полю промышленной частоты;

импульсному магнитному полю;

кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными полями;

колебательным затухающим помехам;

колебаниям напряжения электропитания;

кондуктивным помехам в полосе частот от 0 до 150 кГц;

изменениям частоты в системах электроснабжения;

токам кратковременных синусоидальных помех частотой 50 Гц в

цепях защитного и сигнального заземления;

искажению синусоидального напряжения электропитания.

Существуют два основных пути повышения качества

функционирования технических средств в условиях крупных промышленных

объектов: улучшение электромагнитной обстановки (ЭМО) в помещениях и

на объектах, в которых устанавливаются технические средства, и повышение

надежности функционирования технических средств в условиях воздействия

сильных помех. Задача по улучшению ЭМО и снижению уровня

существующих на объекте помех должна решаться в процессе

67

проектирования и монтажа объекта. Так, например, ЭМО можно улучшить,

применив качественное заземление, установив защиты от перенапряжения,

сетевые фильтры, применив различного рода экранирования. Однако не для

всех объектов возможно учесть все факторы, влияющие на качество ЭМО.

Особенно актуален этот вопрос для крупных энергетических и

промышленных объектов, которые характеризуются наличием крупного

оборудования (генераторов, трансформаторов и пр.), наличием

высоковольтных и низковольтных устройств, близостью высоковольтных

линий электропередачи и т.п. В связи с этим встает задача по повышению

надежности функционирования самих технических средств в условиях

воздействия электрических, магнитных и электромагнитных помех,

электростатических разрядов и т.д., которая должна решаться

производителями этих технических средств при их разработке и производстве.

Сертификация – это официальная процедура, результатом которой

является подтверждение соответствия продукции требованиям качества и

безопасности, прописанным в ГОСТ, ТУ и других нормативных документах.

По итогам сертификации выдается заключение о соответствии. Существует

более 100 систем сертификации. В Казахстане наиболее известной и широко

используемой является система по подтверждению соответствия ГОСТ Р.

Подтверждение соответствия в ГОСТ Р выражается в виде двух

документов: сертификате и декларации, которые содержат заключение о

соответствии.

Важнейший этап подтверждения соответствия продукции стандартам

качества и требованиям безопасности являются сертификационные

испытания.

Сертификационные испытания – это этап процедуры подтверждения

соответствия, который необходим для получения заключения о соответствии

и включает в себя исследование объекта, посредством различного

воздействия: измерения, анализа, оценки. После окончания процедуры

испытаний испытательными лабораториями и центрами составляется

заключение о соответствии в форме протокола испытаний и составляется акт.

Задача сертификационных испытаний: получение количественных или

качественных оценок характеристик продукции.

Сертификационные испытания проходят в специальных

аккредитованных испытательных лабораториях, которые выбираются в

зависимости от вида товара. Испытания проводятся на основании технических

и нормативных документов, с целью подтверждения соответствия продукция

требованиям качества и безопасности для человека и окружающей среды. В

большинстве случаев сертификационные испытания нужны для оценки и

подтверждения соответствия функциональных показателей условиям

эксплуатации, способности к воздействию внешних факторов и критериям

надежности. В рамках обязательной сертификации свойством, которое

служит подтверждением соответствия, признается безопасность для здоровья

68

и жизнедеятельности. При добровольной сертификации предметом оценки

является показатель надежности.

Испытания, в зависимости от результатов воздействия делятся на:

неразрушающие – объект после испытаний может

функционировать и эксплуатироваться, применяется к дорогой или

уникальной продукции;

разрушающие – объект после испытаний не может

эксплуатироваться.

Сертификационные испытания проводит главный специалист

лаборатории. Заведующий лабораторией контролирует качество и

правильность выполнения испытаний. Затем проверяет правильность

заполнения протокола испытаний и заверяет его подписью.

Далее в сертификационном центре на основании протокола испытаний,

либо подписывается заключение о соответствии, либо выдвигается отказ о

подтверждении соответствия и указываются причины.

Протокол испытаний – официальный документ, который выдается

испытательными лабораториями после проведения сертификационных

испытаний, и является заключением о соответствии продукции требованиям

нормативных документов.

Протокол испытаний является главным документом, содержащим

заключение о соответствии, на основании которого выдается сертификат с

подтверждением соответствия.

Испытания продукции в обязательном порядке проводят в

испытательных специализированных лабораториях, которые получили

подтверждение соответствия в виде аккредитации в какой-то конкретной

области деятельности. Лаборатории должны обладать современной

технической базой, а также быть компетентными в оценке и подтверждении

соответствия испытуемой продукции. Подтверждением соответствия

испытательных лабораторий установленным стандартам служит аттестат по

метрологии и техническому регулированию, который выдается Федеральным

агентством.

По результатам сертификационных испытаний принимается решение о

продолжении либо о приостановлении реализации продукции, если она не

получила подтверждения соответствия требованиям нормативных

документов.

Испытания продукции обязательны для получения некоторых

заключений о соответствии. На основании протоколов испытаний происходит

оформление, например, пожарного сертификата, сертификата соответствия и

другой разрешительной документации.

Примерное оборудование для испытательной базы для проведения

испытаний на электромагнитную совместимость состоит:

безэховая камера компании «Comtest»;

приемник измерительный R&S ESU 8;

испытательный генератор NetWave 7;

69

анализатор гармоник и фликера DPA 500N;

испытательный генератор электростатических разрядов dito;

анализатор кратковременных помех «AFJ» CL55C;

испытательный генератор наведенных кондуктивных помех

CWS500;

испытательный комплекс для проведения испытаний на

устойчивость к кондуктивным помехам и магнитным полям UCS500M4;

испытательный генератор колебательных затухающих помех OCS

500-M;

генератор токов промышленной частоты ИГП 1.1;

генератор импульсного магнитного поля ИГИ 1.1;

универсальный испытательный комплекс CWS 500N4,

кондуктивные несимметрические помехи в диапазоне частот 0 Гц (DC) -

150К;

испытательное оборудование на устойчивость к радиочастотному

электромагнитному полю;

трёхкоординатная рамочная антенна HM 020.

В качестве имитаторов электромагнитных помех служат испытательные

генераторы нано- и микросекундных импульсов, испытательные генераторы

одиночных колебательных затухающих помех, испытательные генераторы

повторяющихся колебательных затухающих помех, испытательные

генераторы токов, испытательные генераторы искажения синусоидальности

напряжения электропитания, а также измерительные средства

(высоковольтные делители, шунты токовые), помехоподавляющие фильтры и

т.д.

13 Лекция № 13. Основные требования и методы испытаний ТС на

устойчивость к различным видам помех

Цель: ознакомить с требованиями и методами испытаний

телекоммуникационного оборудования на устойчивость к помехам.

Рассмотрим некоторые устройства, предназначенные для испытаний на

ЭМС различных ТС.

ТЕМ- камера представляет собой отрезок квадратной коаксиальной

линии с волновым сопротивлением 50 Ом большого сечения с плоским

внутренним проводником. С обоих концов камеры имеются пирамидальные

сужения и переходы на стандартные коаксиальные разъемы. Суженные

участки должны быть достаточно плавными и длинными, чтобы свести к

минимуму возмущение ТЕ-волны (поперечно-электромагнитные волны) при

прохождении от одного участка к другому. Обычно длину выбирают равной

половине ширины камеры.

70

GTEM- камера представляет собой четырёхгранную пирамиду,

лежащую на боковой грани. В поперечном сечении это прямоугольная

коаксиальная линия с центральным проводником специального профиля. На

узком конце линия плавно переходит к входному коаксиальному разъему.

Нагрузкой линии является комбинация поглощающего материала и

резисторов.

Для создания и контроля электромагнитного поля в камерах

используются радиоизмерительные приборы общего назначения со

специально разработанными усилителями и автоматизированной системой

измерений.

Безэховая камера – это уникальное инженерное сооружение для

проведения исследований и испытаний по ЭМС различных ТС и

электромагнитной безопасности. Стены и потолок камеры облицованы

поглощающим электромагнитные волны материалом. В полностью безэховой

камере радиопоглощающим материалом покрыт также пол. Покрытие камеры

радиопоглощающим материалом преследует цель предотвратить отражения

радиоволн от внутренних поверхностей камеры, так как интерференция

отраженного и излученного электромагнитных полей может привести к

образованию пиков и провалов напряженности результирующего

электромагнитного поля.

Коэффициент отражения радиопоглощающего материала зависит, в

основном, от частоты и угла падения радиоволн. Как правило, поглощение

электромагнитной энергии максимально при нормальном падении радиоволн

на поверхность радиопоглощающего материала и снижается при возрастании

угла падения. Для того чтобы уменьшить отражения и увеличить поглощение

радиоволн, применяется радиопоглощающий материал в форме пирамид или

конусов. Камеры предназначены для проведения испытаний и высокоточных

измерений радиоэлектронной аппаратуры, антенной техники и испытаний ТС

на ЭМС. Обеспечивают получение достоверных результатов измерений в

обстановке сильного электромагнитного зашумления естественным и

техногенным электромагнитным фоном, а также защиту информации. При

испытаниях ТС различных видов и назначений на соответствие требованиям

устойчивости к электромагнитным помехам и на соответствие предельным

нормам на помехоэмиссию применяют стандартные методы испытаний,

установленные в международных и отечественных стандартах.

Например, процедура определения устойчивости аппаратуры к

импульсным помехам согласно ГОСТ Р 51317.4.12-99 (МЭК 61000-4-12-97):

подобные помехи создаются, в частности, при коммутациях высоковольтного

оборудования. Процедура испытаний заключается в том, что на входы

работающей аппаратуры подаются импульсы от стандартного испытательного

генератора и при этом контролируется правильность работы аппаратуры:

отсутствие ложных срабатываний, «зависания», перезагрузки и физического

повреждения устройств.

71

В требованиях к аппаратуре РЗА дается класс жесткости испытаний,

которому соответствует некоторое испытательное напряжение. Но это

напряжение определяется на холостом ходу испытательного генератора. В

действительности напряжение, приложенное к аппаратуре при испытаниях,

будет зависеть от ее полного входного сопротивления (точнее, от амплитудно-

и фазочастотной характеристик в спектре частот рассматриваемых

импульсов). Более того, вольт-амперная характеристика входов аппаратуры

нередко оказывается нелинейной, особенно в случае установки в аппаратуру

разрядников, варисторов и т.п. нелинейных устройств защиты. В случае

превышения мощностью помехи нагрузочной способности, например,

варистора, он может быть выведен из строя, хотя напряжение помех на входе

оборудования не превысит нескольких сотен вольт. Как показывают

измерения, это напряжение часто оказывается существенно меньше

нормированного.

Разумеется, это не снижает ценность результатов испытаний, поскольку

стандартами нормируется еще и внутреннее сопротивление испытательного

генератора. Поэтому мощность помехи, попадающей на аппаратуру,

контролируется в любом случае.

В качестве примера на рисунках 13.1 – 13.4 приведены типичные

системы и комплект оборудования, которые используются в настоящее время

для испытаний ТС и аппаратуры на помехоустойчивость и помехоэмиссию.

Рисунок 13.1 – Расположение и состав оборудования для тестирования

испытательной системы на устойчивость к радиочастотным

электромагнитным полям по ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95)

72

Рисунок 13.2 – Расположение и состав оборудования для проведения

испытаний на устойчивость к радиочастотным полям в соответствии с ГОСТ

Р 51317.4.3-99

Рисунок 13.3 – Состав оборудования для проведения испытаний на

устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотным полям

по ГОСТ Р 51317.4.6-99 (МЭК 61000-4-6-96); ИТС – испытуемое техническое

средство

73

Рисунок 13.4 – Состав оборудования для проведения измерения

индустриальных радиопомех по ГОСТ Р 51319-99

14 Лекция № 14. Нормы и методы испытаний на помехоэмиссию

различных ТС

Цель: ознакомить с нормами установленными ГОСТом на

помехоэмиссию различных технических средств.

Некоторые определения.

Коэффициент гармоник суммарный - отношение

среднеквадратического значения суммы всех гармонических составляющих до

40-го порядка включительно к среднеквадратическому значению основной

составляющей.

Коэффициент гармоник частичный взвешенный - отношение

среднеквадратического значения суммы токов высших гармоник (от 14-го до

40-го порядков включительно), взятых с коэффициентами, равными порядку

гармоники, к среднеквадратическому значению основной составляющей.

Отношение короткого замыкания - величина, вычисленная на

основании мощности короткого замыкания Sкз и номинальной кажущейся

мощности ТС Sтс: а) для однофазных ТС с подключением к фазе и нейтрали:

Rкз = Sкз / (3 Sтс); б) для однофазных ТС с подключением к двум фазам: Rкз = Sкз

/ (2 Sтс); в) для всех видов трехфазных ТС: Rкз = Sкз / Sтс.

Уровень эмиссии возмущений (помех) (уровень эмиссии помех от

источника возмущений) - уровень каждого вида электромагнитного

возмущения, производимого техническим средством, являющимся

источником возмущений, измеренный и оцененный регламентированным

способом.

Фликер - непреднамеренные колебания яркости (для ТС, основной

функцией которого является излучение света). В частности, может быть

74

вызван колебаниями напряжения в сети питания ТС, в связи с чем данное

явление рассматривается в качестве одного из видов ЭМП.

Общие требования к техническом средству (ТС):

1) ТС должны быть сконструированы таким образом, чтобы не

создавать недопустимых электромагнитных помех для нормального

функционирования по назначению окружающим ТС.

2) Требования по ограничению эмиссии электромагнитных

возмущений от ТС, в условиях применения в электромагнитных обстановках

в соответствии с назначением ТС и с учетом запаса эмиссии, устанавливаются

в специальных технических регламентах.

3) Обязательные требования по обеспечению защиты радиоприема от

индустриальных радиопомех, создаваемых техническими средствами,

являющимися источниками таких помех, устанавливаются специальным

техническим регламентом о защите радиоприема от индустриальных

радиопомех, при этом должны учитываться особенности использования

радиочастотного спектра в РК.

Требования в части создаваемых токов гармоник

ТС с номинальным потребляемым током свыше 16 А на фазу должно

соответствовать требованиям п. 1 общих требований, а при невозможности их

соблюдения - требованиям п. 2 общих требований.

1) Требования к ТС в общем случае подключения к сети.

Общий случай подключения ТС к сети электропитания общего

пользования характеризуется минимально допустимым отношением

короткого замыкания в точке присоединения, равным 33 Ом. Суммарное

допустимое значение коэффициента гармоник не более 23%. Величина

третьей гармоники тока не более 21,6%, пятой – 10,7 %, седьмой – 7,2%.

2) Требования к ТС при отношении короткого замыкания более 33 Ома.

Если ТС не соответствует пределам, указанным в пункте 1, то для него

устанавливается альтернативный набор требований.

Для однофазных и несимметричных трехфазных ТС.

Для Rкз=66 Ом: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 26%. Величина третьей гармоники тока не более 24%,

пятой – 13%, седьмой – 8%.

Для Rкз=120 Ом: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 30%. Величина третьей гармоники тока не более 27%,

пятой – 15%, седьмой – 10%.

Для Rкз=250 Ом: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 40%. Величина третьей гармоники тока не более 35%,

пятой – 20%, седьмой – 13%.

Для Rкз=350 Ом и более: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 47%. Величина третьей гармоники тока не более 41%,

пятой – 24%, седьмой – 15%.

Для симметричных трехфазных ТС.

75

Для Rкз=66 Ом: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 26%. Величина пятой гармоники тока не более – 14%,

седьмой – 9%.

Для Rкз=120 Ом: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 30%. Величина пятой гармоники тока не более – 19%,

седьмой – 12%.

Для Rкз=250 Ом: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 40%. Величина пятой гармоники тока не более – 31%,

седьмой – 20%.

Для Rкз=350 Ом и более: суммарное допустимое значение коэффициента

гармоник не более 47%. Величина пятой гармоники тока не более – 40%,

седьмой – 25%.

3) Требования по ограничению токов гармоник, создаваемых ТС с

номинальным потребляемым током не выше 16 А на фазу, техническим

регламентом не устанавливаются.

ТС с потребляемым током более 16 А на фазу должны удовлетворять

нижеследующим требованиям в части колебаний напряжения и фликера.

1) Кратковременный показатель фликера Pst (за период 10 минут) – 1,0

(требования в отношении величин Pst не распространяются на колебания

напряжения при включении ТС вручную или автоматически не чаще одного

раза в час).

2) Долговременный показатель фликера Plt (за период два часа) – 0,65

(требования в отношении величин Plt не распространяются на колебания

напряжения при включении ТС вручную или автоматически не чаще одного

раза в час).

3) Установившееся значение относительного изменения напряжения dc,

% – 3,3.

4) Максимальное значение относительного изменения напряжения

dmax, % (общая продолжительность отклонений величины напряжения более

3,3% не должна превышать 500 мс за все время колебания напряжения)

а) в общем случае – 4;

б) для ТС, относящихся к любой из следующих категорий, – 6:

- с ручным включением электропитания;

- с автоматическим включением чаще 2 раз в сутки (периодичность

включения дополнительно ограничивается пределами для величин Pst и Plt.

Например, ступенчатое изменение напряжения величиной 6% два раза в час

дает значение показателя Plt около 0,65) и задержкой повторного

автоматического включения не менее 10 с после перерывов напряжения (для

любых ТС, питание которых автоматически восстанавливается

непосредственно по окончании перерыва напряжения, должен применяться

предел общего случая а) - 4%) либо с ручным повторным включением;

в) для ТС, относящихся к любой из следующих категорий, – 7:

- эксплуатируемых непосредственно под контролем оператора (бытовая

техника, ручной электроинструмент и т.п.);

76

- с включением электропитания вручную или автоматически не чаще,

чем 2 раза в сутки, и после перерывов напряжения повторно включаемых

вручную или автоматически с задержкой не менее 10 с.

5) Требования по ограничению колебаний напряжения и фликера, для

ТС с номинальным потребляемым током не выше 16 А на фазу не

устанавливаются.

15 Лекция № 15. Требования и методы испытаний на стойкость к

внешним воздействиям и степени защиты корпусов (оболочек) РЭА

Цель: ознакомить с существующими видами воздействия на

телекоммуникационное оборудование и соответствующими стандартами,

регламентирующие испытания.

Внешние воздействующие факторы могут быть как климатические, так

и механические. Требования и методы испытаний устанавливаются в

соответствующих стандартах.

Стандарты по климатическим испытаниям:

1) ГОСТ 15150-69 Исполнения для различных климатических районов.

Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части

воздействия климатических факторов внешней среды.

2) ГОСТ 30630.0.0-99 Методы испытаний на стойкость к внешним

воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий.

Общие требования.

3) ГОСТ 14254-96 Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код

IP).

4) ГОСТ Р 51369-99 Испытания на воздействия влажности воздуха.

5) ГОСТ Р 51368-99 Испытания на устойчивость к воздействию

температуры.

6) ГОСТ 16962.1-89 Изделия электротехнические. Методы испытаний на

устойчивость к климатическим внешним воздействующим факторам.

7) ГОСТ 20.57.406-81 Изделия электронной техники, квантовой

электроники и электротехнические. Методы испытаний.

8) ГОСТ Р 51370-99 Испытание на воздействие солнечного излучения.

9) ГОСТ Р 52763-2007 Испытания на воздействие соляного тумана.

10) ГОСТ Р 51684-2000 Испытание на воздействие давления воздуха или

другого газа.

11) ГОСТ Р 52562-2006 Испытания на воздействие воды.

12) ГОСТ Р 52560-2006 Испытания на воздействие пыли (песка).

13) ГОСТ Р 9.048-89 Методы лабораторных испытаний на стойкость к

воздействию плесневых грибов.

14) ГОСТ РВ 20.57.306-98 Аппаратура, приборы, устройства и

оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие

климатических факторов.

77

Стандарты по механическим испытаниям:

1) ГОСТ Р 51909-2002 Испытания на транспортирование и хранение.

2) ГОСТ 16962.2-90 Изделия электротехнические. Методы испытаний на

стойкость к механическим внешним воздействующим факторам.

3) ГОСТ 17516.1-90 Изделия электротехнические. Общие требования в

части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам.

4) ГОСТ 20.57.406-81 Изделия электронной техники, квантовой

электроники и электротехнические. Методы испытаний.

5) ГОСТ 51911-2002 Испытания электрических выводов, патрубков и

других присоединительных деталей на воздействие изгиба.

6) ГОСТ Р 51908-2002 Общие требования к машинам, приборам и

другим техническим изделиям в части хранения и транспортирования

7) ГОСТ 23216-78 Изделия электротехнические. Хранение,

транспортирование. Общие требования и методы испытаний.

8) ГОСТ 30630.1.2-99 Испытания на воздействие вибрации.

9) ГОСТ 30631-99 Общие требования к машинам, приборам и другим

техническим изделиям в части стойкости к механическим внешним

воздействующим факторам при эксплуатации.

10) ГОСТ Р 51371-99 Испытания на воздействие ударов.

11) ГОСТ Р 51805-2001 Испытания на воздействие линейного

ускорения.

12) ГОСТ Р 52561-2006 Испытания на воздействие качки и длительных

наклонов.

13) ГОСТ РВ 20.57.305-98 Аппаратура, приборы, устройства и

оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие

механических факторов.

14) ГОСТ РВ 20.39-304-98 Аппаратура, приборы, устройства и

оборудования военного назначения. Требования стойкости к внешним

воздействующим факторам.

15) РД 34.35.310-97 Общие технические требования к

микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем.

Степень защиты, обеспечиваемая оболочкой, указывается кодом IP

следующим образом (рисунок 15.1):

Рисунок 15.1 – Порядок маркировки оболочки (кода IP)

78

При отсутствии необходимости в нормировании характеристической

цифры ее следует заменять на букву X (либо XX, если опущены две цифры).

Дополнительные и (или) вспомогательные буквы опускают без замены. При

использовании более одной дополнительной буквы применяют алфавитный

порядок. Если оболочка обеспечивает различные степени защиты, в

зависимости от расположения оборудования, предусмотренного различиями в

монтаже, соответствующие степени защиты должны быть указаны

изготовителем в инструкции для каждого случая монтажа.

Первая характеристическая цифра - проникновение внешних твердых

предметов (в скобках указано значение для защиты от людей):

0 – нет защиты (нет защиты);

1 – диаметром больше 50 мм (тыльной стороной руки);

2 – диаметром больше 5 мм (пальцем);

3 – диаметром больше 2,5 мм (инструментом);

4 – диаметром больше 1 мм (проволокой);

5 – пылезащитное (проволокой);

6 – пыленепроницаемое (проволокой).

Вторая характеристическая цифра - от вредного воздействия в

результате проникновения воды:

0 – нет защиты;

1 – вертикальное каплепадение;

2 – каплепадение (номинальный угол 15 градусов);

3 – дождевание;

4 – сплошное обрызгивание;

5 – действие струи;

6 – сильное действие струи;

7 – временное непродолжительное погружение;

8 – длительное погружение.

Дополнительная буква от доступа к опасным частям:

А – тыльной стороной руки;

В – пальцем;

С – инструментом;

D – проволокой.

Вспомогательная буква означает, что информация относиться к:

H – высоковольтным аппаратам;

M – состоянию движения во время испытаний от воды;

S – состоянию неподвижности во время испытаний от воды.

Испытания защиты от доступа к опасным частям оборудования

производится с помощью щупа доступности, который представляет собой, в

зависимости от степени доступности, или сферу диаметром 50 мм, или

испытательный шарнирный палец, или испытательный стержень, или

испытательную проволоку.

79

Список литературы

1 Ергожин Е.Е., Зезин А.Б., Сулейменов И.Э., Мун Г.А. Гидрофильные

полимеры в нанотехнологии и наноэлектронике (монография) / Библиотека

нанотехнологии. – Алматы, Москва: LEM, 2008. - 214 с.

2 Ергожин Е.Е., Арын Е.М., Сулейменов И.Э., Беленко Н.М., Габриелян

О.А., Сулейменова К.И., Мун Г.А. Нанотехнология. Экономика. Геополитика.

/ Библиотека нанотехнологии. – Алматы, Москва, София, Антиполис,

Симферополь: Изд-во ТОО «Print-S», 2010. - 227 с.

3 Сулейменов И.Э., Шалтыкова Д.Б. Введение в теорию

коммуникационного менеджмента: Учебное пособие. – Алматы: АУЭС, 2014.

-80 с.

4 Сулейменов И.Э., Шалтыкова Д.Б. Генезис и реалии

информационного общества: Учебное пособие. – Алматы: АУЭС, 2014. -80 с.

5 Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности.-М.:

Техносфера, 2008. – 352 с.

6 Мартинес-Дуарт Дж. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники.-

М.: Техносфера, 2007. – 368 с.

7 Ибрагимов И.М. Основы компьютерного моделирования наносистем.-

СПб.: Лань, 2010. – 384 с.

8 Щука А.А. Наноэлектроника. - М.: Бином, 2012.- 342 с.

9 Быховский М.А. Развитие телекоммуникаций. На пути к

информационному обществу. Развитие спутниковых телекоммуникационных

систем: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014. –

436 с.

10 Сомов А.М., Корнев С.Ф. Спутниковые системы связи. –М.: Горячая

линия-телеком, 2012. - 244 с.

11 Козин И.Д., Федулина И.Н. Распространение радиоволн: Учебное

пособие. – Алматы: АУЭС, 2014. -80 с.

12 Козин И.Д., Федулина И.Н. Космическая погода и распространение

радиоволн: Учебное пособие. – Алматы: АУЭС, 2012. -80 с.

13 Козин И.Д., Федулина И.Н. Радиосистемы местоопределения:

Учебное пособие. – Алматы: АУЭС, 2015. -80 с.

14 Перов А. И. Основы построения спутниковых радионавигационных

систем: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радиотехника, 2012. – 240 с.

15 Методы спутникового и наземного позиционирования. Перспективы

развития технологий обработки сигналов / Под ред. Д. Дардари, Э. Фаллетти,

М. Луизе. – М.: Техносфера, 2012. – 528 с.

16 Бакулев П.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. –

М.: Радиотехника, 2007. – 376 с.

17 Козин И.Д., Федулина И.Н. Искусственные спутники Земли: Учебное

пособие. – Алматы: АУЭС, 2014. -80 с.

18 Дворкович В.П., Дворкович А.В. Цифровые видеоинформационные

системы (теория и практика). – М.: Техносфера, 2012. - 1008 с.

80

19 Тюхтин М.Ф. Системы интернет-телевидения.-М., 2008. – 328 с.

20 Ричардсон Я. Видеокодирование. H.264 и MPEG-4 - стандарты

нового поколения. - М.: Техносфера, 2005. - 369 с.

21 Козин И.Д., Федулина И.Н. Методы сжатия видеоинформации:

Учебное пособие. – Алматы: АУЭС, 2015. -80 с.

22 Шелухин О. И., Гузеев А. В. Сжатие аудио- и видеоинформации:

Учебное пособие. – М.: МТУСиИ, 2012. – 88 с.

23 Петраков А.В. Защитные информационные технологии

аудиовидеоэлектросвязи. – М.: Электроатомиздат, 2010. – 616 с.

24 Гонсалес Р., Вудс Р., Цифровая обработка изображений. - М.:

Техносфера, 2005. – 1072 с.

25 Шпаковский Г.И., Стецюренко В.И., Верхотуров А.Е., Серикова Н.В.

Применение технологии MPI в Грид. – Минск: БГУ, 2008. – 137 с.

26 Пономаренко В.С., Листровой С.В., Минухин С.В., Знахур С.В.

Методы и модели планирования ресурсов в GRID-системах. – Х.: ИД

«ИНЖЭК», 2008. – 408 с.

27 Козин И.Д., Федулина И.Н. Информационная безопасность

распределенных вычислений: Учебное пособие. – Алматы: АУЭС, 2014. -80 с.

28 Риз Дж. Облачные вычисления. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. -288 с.

29 Шаньгин В.Ф. Защита информации в компьютерных системах и

сетях. –М.: ДМК Пресс, 2012. – 592 с.

30 Стандарты Международной электрической комиссии (МЭК) на

стойкость к внешним воздействиям – серии МЭК 68.

31 Стандарты Международной электрической комиссии на

электромагнитную совместимость – серии МЭК 61000.